avions en papier dans l'espace

[invite101881f0]

Bonjour,
Nous sommes des élèves de 1ère faisant un TPE, épreuve du baccalauréat, sur les avions en papier dans l'espace. En effet la JAXA, NASA japonaise, projette de lancer des avions en papier depuis la station spatiale internationale. Nous voulions connaitre votre avis sur le sujet, si vous aviez des informations ou des personnes à contacter.De plus nous nous posons quelques questions telles que: comment l'avion en papier va se comporter dans l'espace et lors de sa rentrée dans l’atmosphère?
Quel est, finalement, le but de ce projet?
Quels pourraient être les obstacles? etc..
Merci beaucoup
Martin, Paul et Constantin
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[phys4]

Bonjour,

Une bien curieuse question, que peut faire un avion en papier à une altitude où il y a trop peu d'air pour qu'il vole.
Dans un premier temps les avions en papier vont rester au voisinage de la station sur une orbite proche, ils seront plus sensibles à l'atmosphère résiduelle et descendront lentement vers la Terre.
Plusieurs possibilités :
- le rayonnement solaire va décomposer le papier avant qu'ils atteignent l'altitude de 150 km
- ils descendent en dessous de 150km, le choc des molécules sera alors suffisant pour les freiner et les détruire rapidement s'il s'agit de papier ordinaire.

Avez vous d'autres idées ?

[JPL]

Une explication ici : http://www.futura-sciences.com/fr/ne...lespace_14536/

[phys4]

L'article est très intéressant, il confirme ce que je pensais pour le freinage en début de descente.
L'auteur précise que le papier est spécialement traité pour résister à la chaleur.

Pour que cela fonctionne il faut que la surface ne soit plus réellement du papier mais un vernis non combustible.
Les premières molécules ou atomes d'oxygène rencontrés frapperont le papier à 8 km/s, c'est suffisant pour avoir une combustion locale immédiate même à froid.

Pour cette raison j'ai émis l'hypothèse que le papier serait brulé avant d'atteindre la haute atmosphère (100 km)

[A voir en vidéo sur Futura]

[DomiM]

oui mais si il est ignifugé et que ça fait des petits trous bien répartis et à chaque petit trou un léger ralentissements il faut faire la somme des trou est des ralentissement pour voir si il ralenti assez avant de se désagréger, difficile car plus il y a de trou et moins il y a de choc mais ça doit être possible à calculer

[JPL]

Ah bon ! Le choc des molécules d'oxygène va faire des petits trous ?

- C'est nouveau, ça vient de sortir ! (emprunt à Coluche)

[Gilgamesh]

Les premières molécules ou atomes d'oxygène rencontrés frapperont le papier à 8 km/s, c'est suffisant pour avoir une combustion locale immédiate même à froid.

C'est justement ce qu'il faut tester : si la densité est faible l'échauffement le sera aussi, et si l'avion a suffisamment ralentit au moment d'aborder les couches les plus denses de l'atmosphère, c'est gagné.

a+

[invite101881f0]

Merci pour toute vos réponses mais une question persiste: quel serait la finalité de ce projet? Selon les sources le but du projet diffère et quel que soit ce-dernier il ne me parait pas extrêmement intéressant.

[phys4]

Pour la finalité, Gilgamesh a expliqué qu'il s'agissait de vérifier si une structure très légère pourrait faire une rentrée dans l'atmosphère sans être volatilisée.

L'essai, s'il est réalisé, sera sans doute fait avec des divers vernis afin de tester quel revêtement peut convenir.
Si cela fonctionne, cela ouvre la voie à des dispositifs de rentrée atmosphérique de grande taille, un super parachute ?

[Thibar]

En effet comme l'a dit phys4 ça sert entre autre à ça. Lorsque j'ai parler de la colonisation de mars (Mars Project) il a été énoncé ce principe là: pour l'entrer dans l'atmosphère de Mars par les astronautes. Ce n'est pas inutile je trouve, surtout si cela permet d'augmenter leur chance de survie au "6 minutes interminables"

[Tryss]

La question que je me pose à propos de cette expérience c'est "comment on observe les résultats?"

Non parce que ça me semble un poil délicat de suivre la descente de tels objets ^^

[Carcharodon]

J'ai du mal a croire qu'un avion en papier peut perdre 7.5km/s en toute tranquillité...
Le principe d'une rentrée atmosphérique est de transformer la vitesse en chaleur, donc, s'il ne chauffe pas, comment va-t-il ralentir ?
Je pense que la théorie doit donner plusieurs tours de terre pour ralentir suffisamment un tel engin sans le chauffer trop, le problème c'est qu'une rentrée est chaotique par nature et qu'il est impossible de conserver les paramètres d'altitude voulus sur une telle distance sans disposer d’éléments de contrôle de trajectoire, donc de gouvernes effectives.
En résumé, je ne crois pas une seconde qu'un tel engin puisse espérer voir le sol.

[Thibar]

En essayant de l'imaginer simplement de façon physique, j'arrive à concevoir qu'il ne va pas extrêmement vite. Un avion en papier est tellement petit et léger que peu de force de frottement lui font face. L'accélération étant proportionnelle à la masse de l'objet pour la gravitation, sachant que sa masse est assez faible, je trouverais ça plus étrange que sa vitesse soit assez élevée que faible. Y'a pas mal de chose qui se bouscule dans ma tête là ducoup....

[phys4]

A la suite de la remarque que Carcharodon , il me semble qu'un calcul approché est possible.

Le début de la descente se fera en spirale, le papier augmentant sa vitesse jusque 8km/sec. Lorsque la densité deviendra critique il perdra plus rapidement sa vitesse balistique qui le fera descendre de plusieurs kilomètres en une minute.
La seule différence par rapport à un objet massif est que cette descente se produira beaucoup plus haut, environ 120km au lieu de 80 km.
La puissance à dissiper est proportionnelle à sa densité surfacique et la puissance dissipée par rayonnement ne dépend que de sa surface.

Il existe donc une densité critique pour pouvoir dissiper toute la puissance de freinage.
En supposant une température max de 400°K et une dissipation par les deux faces, j'obtiens une densité critique

C'est vraiment un papier très fin et ignifugé pour ne pas être brulé par les molécules d'oxygène comme je l'ai signalé en début de discussion.

[Fanch5629]

Bonjour.

phys4, vous pourriez détailler votre dernière réponse ? C'est un problème de physique intéressant.

[ansset]

bonjour tous,
le lien mis par JPL date de février 2008.
a-t-on des nouvelles depuis ?

[phys4]

Bonjour.

phys4, vous pourriez détailler votre dernière réponse ? C'est un problème de physique intéressant.

Merci de cette demande, j'ai perdu un peu de temps sur ce point.
Mon premier calcul était assez intuitif car basé sur le fait que lorsque l’énergie potentielle de descente ne peut plus compenser le freinage, la descente doit être rapide et qu'une grande partie de l'énergie est dissipée en une minute ou deux.
J'ai essayé de préciser cette notion, ce qui ma amené à une mise en équation complète et le besoin de mettre au point une résolution numérique.

Cette résolution m'a montré que mon point de vue n' était pas complétement faux, car il existe bien une minute critique à demi vitesse mais le freinage s'étale sur une période totale bien plus longue puisque la simulation montre qu'un objet fait encore un quart de tour après avoir atteint sa vitesse maximale.

Les résultats complets me donnent une température plus basse, par exemple une température de seulement 40°C pour 10g par m², et 140°C pour 30 g par m².

Je joins le rapport de simulation pour les intéressés.

Cette simulation pourrait être améliorée à l'aide d'un bon modèle de la haute atmosphère.

[Carcharodon]

De toute façon une rentrée atmosphérique terrestre est chaotique par nature.
Ce qui est fondamental dans un tel exercice, c'est le contrôle de la vertical speed.
Si on la laisse évoluer sans guidage, on a soit une plongée a des valeurs néfastes de Vs, soit un rebond qui conduit ensuite a une chute avec une pente inacceptable (énorme augmentation inéluctable de la Vs)

Dans tout les cas de figure, sans exception, si on est incapable de contrôler finement sa Vs par l’intermédiaire d'un guidage, l'engin, quel qu’il soit, est condamnée a subir des forces de pression et/ou des températures qu'il ne pourra supporter, a une période donnée de son vol, qui dépend uniquement de son profil aérodynamique s'il est livré a lui même.
Or, un avion en papier n'a pas de système de guidage, il est donc condamné d'office et n'a aucune chance de parvenir au sol.

La couche atmosphérique n'offre pas un profil de résistance continue : un freinage de rentrée s'opère uniquement entre ~55 km et 40 km d'altitude, c'est là qu'un engin spatial perd 90% de sa vitesse initiale, en 15 a 20 km de couche seulement, sur les 100km qui constituent officiellement l'épaisseur de l'atmosphère terrestre (qui est cependant mesurable jusqu'a 2500km).
Et cette bande de 15/20 km d'épaisseur n'accepte pas la moindre approximation dans les paramètres de contrôle de Vs.
C'est un truc qui n'est pas décrit par la physique mais par l’aérodynamique, qui est un domaine très sensiblement différent.

[phys4]

Merci pour cette participation.
La remarque est tout à fait valable pour des engins lourds qui sont freinés dans des couches où le libre parcours moyen des molécules est de quelques mm.

L'idée du calcul était que des structures légères interagissent fortement dès les altitudes de 150 à 200 km. Il existe , comme tu le signales, une condition de forme de structure afin que l'objet présente toujours une surface suffisante quel que soit l'angle. La découverte importante de cette simulation est que le freinage est toujours similaire avec seulement une altitude qui dépend de la densité du corps. Aux altitudes considérées dans la simulation, les molécules sont indépendantes et il n'y a pas d'effet aérodynamique du aux ondes de pression, ni de mur du son.

Aurais tu des valeurs de freinage, d'objets plus lourds pour comparer s'il y a une continuité partielle de la théorie à plus basse altitude ?

[Carcharodon]

... avec seulement une altitude qui dépend de la densité du corps. Aux altitudes considérées dans la simulation, les molécules sont indépendantes et il n'y a pas d'effet aérodynamique du aux ondes de pression, ni de mur du son.

Ha intéressant !
effectivement, je ne "connais" que ce qui arrive a des objets solides et massifs dans ces conditions, et qui est sans équivoque (=> pas de guidage = ça crame a 100% du temps)
je ne saurais te donner de références scientifiques, j'ai pu observer cet effet moult fois (beaucoup de tests) avec le simulateur spatial orbiter, qui reprend le modèle atmosphérique NRLMSIS-00 qui est un modèle scientifique empirique basé sur le MSISE90.
un petit lien sur la comparaison de modèles d'atmosphère simulés dans orbiter pour la rentrée atmosphérique =>
http://okofree.free.fr/orbiterbeta/earth_atm.pdf

Aurais tu des valeurs de freinage, d'objets plus lourds pour comparer s'il y a une continuité partielle de la théorie à plus basse altitude ?

Ce simulateur permet de lire en direct mais aussi d'enregistrer (entre autre) les valeurs de pression dynamique au cours du vol, qui ont une directe influence sur la trajectoire et sur l'effet de frein.
Pour les objets massifs et aérodynamiques, bien entendu : les engins spatiaux réels (tous reproduits dans le détail) ou fictifs.

Je n'imaginais pas qu'un avion en papier pouvait avoir un comportement si différent !

Je suis en train de finaliser une version complète d'orbiter (c'est compliqué et très long a faire un orbiter complet) et je te mettrais le lien, afin que tu puisse tester toi même si tu le désires.

Bien entendu, c'est une simulation qui est loin d'être parfaite, mais elle est très fidèle en ce qui concerne la rentrée atmosphérique de briques volantes.
En fait, l'intégralité de ce que je connais sur la navigation spatiale et les effets de l'atmosphère sur les corps rentrant vient de là et des discussions sur ce forum.
Pour être bien clair sur la pertinence très relative de mes interventions.

[invite101881f0]

tous les articles sur la Toile sont datés de 2008, comment savoir où en est le projet aujourd'hui? Auriez-vous la réponse?
Merci d'avance

[besmir-lastronome]

bonjour j'ai besoin d'aide,je dois faire un exposer en science sur toute les force,pression et tout que un avion en papier subit.J'ai vraiment besoin d'aide car je ne veux pas rater mon exposer.
merci de m'aider ce serais très gentil.


envoyer moi des mail sur adresse mail supprimée conformément à la charte du forum merci




Besmir-l'astronome

[phys4]

bonjour j'ai besoin d'aide,je dois faire un exposer en science sur toute les force,pression et tout que un avion en papier subit.J'ai vraiment besoin d'aide car je ne veux pas rater mon exposer.
merci de m'aider ce serais très gentil.

Bonjour, nous ne pouvons faire l'exposé à votre place, il faudrait soumettre un plan et un résumé du contenu.

Nous pourrions mieux cadrer votre sujet, puis indiquer les erreurs ou omissions.
Au revoir.