Angle d'entree dans l'atmosphere - navettes spatiale -cas de Columbia

[kite4life]

Bonjour,

Je comprends bien qu'il y ai une limite maximale à l'angle d'entrée dans l'atmosphère d'une navette spatiale. J'ai un peu plus de mal à comprendre ce qui limite l'angle minimal.

Prenons le cas de Columbia, qui s'est malheureusement désintégrée lors de son retour en 2003. Un débris avait perforé le bord d'attaque de l'aile. Le vaisseau n'a pas résisté à son retour dans l'atmosphère. La collision avec le débris avait été observée par la NASA et une sortie extra véhiculaire afin d'inspecter le vaisseau avait été discutée puis rejetée (sans avertir l'équipage).

Ma question est la suivante : Si le trou avait été observé. Aurait-il été envisageable de faire une rentrée dans l’atmosphère avec un angle très faible de façon à rentrer de manière très progressive ? Quitte à étaler la rentrée sur plusieurs heures.
Est-il possible de se servir des effets aérodynamiques (par exemple en augmentant l’angle d’incidence) pour maintenir l’altitude de la navette, et ne la laisser redescendre que très lentement ?
L’idée serait de laisser la navette dans des couches de faible densité tant qu’elle va très vite et progressivement de la faire redescendre vers de couches plus dense lorsqu’elle va moins vite. Ainsi on limite les contraintes supportées par la faiblesse mécanique de l’aile.
Est-ce réaliste ? Si non pourquoi ?

Je n’ai que peu de connaissance en aérodynamique et encore moins en régime hypersonique... mais si quelqu’un peu m’aider à comprendre ca serait cool.
Merci ^^
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[phys4]

Aurait-il été envisageable de faire une rentrée dans l’atmosphère avec un angle très faible de façon à rentrer de manière très progressive ? Quitte à étaler la rentrée sur plusieurs heures.
Est-il possible de se servir des effets aérodynamiques (par exemple en augmentant l’angle d’incidence) pour maintenir l’altitude de la navette, et ne la laisser redescendre que très lentement ?

Bonsoir,
Lors de la rentrée atmosphérique, un engin spatial doit passer d'un vol spatial à grande vitesse, qui le maintient par effet centrifuge, à un vol atmosphérique avec un maintien aérodynamique.
Dès que l'engin frôle les couches denses (moins de 100 km d'altitude) il subira un freinage qui lui fera perdre sa vitesse, et quand il atteint une vitesse qui ne permet plus le maintien balistique, il ne peut que descendre rapidement jusqu'à obtenir le maintien aérodynamique. La transition est donc obligatoirement brutale et se traduit toujours par un freinage de plusieurs g quelque soit le moyen utilisé.
Il n'existe pas de méthode progressive,
soit l'angle d'attaque permet un freinage suffisant et fait décroitre la vitesse en dessous de 7 km/s et la descente s’accélère sans que rien ne puisse éviter la phase de freinage brutal,
soit l'altitude min est insuffisante et la vitesse reste supérieure à 7 km/s et l'engin repart en orbite.
En principe, les trajectoires de rentrée sont toujours optimisées pour un échauffement minimum.
La notion de ricochet indiquée par quelques journalistes est une aberration, l'engin à un périgée assez bas pour freiner ou non.

[Amanuensis]

Pas si simple. Cela dépend du «ballistic coefficient» (terme en français?). Voir par exemple le projet Skylon, https://en.wikipedia.org/wiki/Skylon_(spacecraft), dont:

Because of the low ballistic coefficient, Skylon would be slowed at higher altitudes where the air is thinner; as a consequence, the skin of the vehicle would reach only 1,100 K (830 °C).

Il me semble qu'avec une conception libre en masse et en forme aérodynamique on peut passer de la vitesse orbitale à un vol aérodynamique en limitant autant que l'on veut le freinage (et donc l'échauffement).

Mais ce n'était pas une option pour Columbia, elle ne pouvait changer ni sa masse ni sa forme aérodynamique.

[phys4]

Il me semble qu'avec une conception libre en masse et en forme aérodynamique on peut passer de la vitesse orbitale à un vol aérodynamique en limitant autant que l'on veut le freinage (et donc l'échauffement).

Comme j'ai eu l'opportunité d'effectuer des simulations pour différents objets, je peux affirmer qu'il n'est pas possible de limiter le freinage, seulement le faire varier un peu.
Par contre, il est possible de limiter l'échauffement : la puissance à dissiper dépende la masse, et la dissipation pour une température donnée est proportionnelle à la surface. Un grand rapport surface/masse diminue l'échauffement, mais ce n'est pas un paramètre totalement libre.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Amanuensis]

il n'est pas possible de limiter le freinage

À quel sens? Limiter le max de la valeur de la décélération dans le référentiel terrestre?

Et ce serait dû à quoi? À la courbe de densité de l'air en fonction de l'altitude?

Je serais intéressé par un peu plus d'explications. (Je ne mets pas en doute, je cherche juste à comprendre avec un minimum de profondeur.)

[phys4]

Et ce serait dû à quoi? À la courbe de densité de l'air en fonction de l'altitude?
Je serais intéressé par un peu plus d'explications. (Je ne mets pas en doute, je cherche juste à comprendre avec un minimum de profondeur.)

Le référentiel pour la vitesse et l'accélération est le référentiel terrestre.
La densité de l'air en fonction de l'altitude est un facteur essentiel, dans la phase critique entre 7 km/s et 3 km/s lorsque la balistique ne maintient plus le véhicule et que l'aérodynamique ne peut prendre le relais, la chute entraine un freinage inévitable sur une hauteur d'un trentaine de km.
Un moyen possible de limiter la hausse de température serait de jouer au maximum sur le rapport surface/masse, à l'aide d'un super parachute spatial. Il faudrait une structure à très grand déploiement avec une surface légère métallisée en noir, pour évacuer la chaleur par rayonnement. Le système de liaison doit être très robuste, car l'on évite pas la phase à 3 ou 4 g, mais elle se produirait vers 200 à 150 km d'altitude. Après la phase critique, le véhicule suspendu au parachute, pourrait le larguer pour poursuivre une descente en vol plané.
La faisabilité pose surement de gros problèmes, mais un tel accessoire aurait pu sauver la navette à l'arrivée.

[Amanuensis]

Le point à élaborer est:

et que l'aérodynamique ne peut prendre le relais,

La portance est fonction de la vitesse relative à l'air et de la densité de l'air. Une forte vitesse entre 3 et 7 km/s ne peut-elle compenser une faible densité?

Au fond, la question est celle du vol «hypersonique», avec des nombres de Mach que j'imagine en deux chiffres, non?

Quid de l'HTV-2 présenté comme pouvant aller à 21000 km/h, soit 5.8 km/s ?

[XK150]

Bonjour ,
Si j'ai bien compris , on peut descendre en parachute sur Mars et Jupiter par exemple : https://fr.wikipedia.org/wiki/Low-De...ic_Decelerator
Sur Terre , il existe bien les ballutes , ralentisseur de bombes qui fonctionnent en supersonique . https://fr.wikipedia.org/wiki/Ballute

[phys4]

Il faudrait des super ballutes de grande taille, en version vol hypersonique il faudrait déployer des ailes immenses, capables de planer en vol hypersonique à Mach 20 ?

C'est aussi la performance visée pour l'HTV-2, capable de planer à 6 km/s. Mais pas facile, tous les prototypes ont été perdus, heureusement sans pilote.

[kite4life]

wow, merci a tous pour vos réponses nombreuses.
Je vois que vous vous posez les mêmes questions que moi. L’idée aurait effectivement été de planer autan que possible.
J'ai compris des échanges que les lois de l'aérodynamique et la configuration de la navette l'empêchent de planer suffisamment tôt et la font tomber dans des couches denses avant qu'elle ai eu le temps de ralentir. Soit.
De mon coté je trouve étonnant que l'on puisse provoquer un échauffement sans pouvoir planer. L'échauffement n'est-il pas du a la compression de l'air? S'il y a compression, ne peut-on pas l'utiliser pour porter le vaisseau... et donc planer?

merci.

[phys4]

De mon coté je trouve étonnant que l'on puisse provoquer un échauffement sans pouvoir planer. L'échauffement n'est-il pas du a la compression de l'air? S'il y a compression, ne peut-on pas l'utiliser pour porter le vaisseau... et donc planer?

Le problème c'est de planer à mach 20 dans un air très raréfié, car la pression et la température élevée se produisent dans une atmosphère très peu dense et pas moyen d'éviter l’échauffement si la pression est telle que le freinage atteint un g.
Pour planer avant de trop descendre, il faudrait des ailes immenses, ce qui nous ramène à une rapport surface/masse démesuré.
Cela peut se calculer facilement, il suffit de prendre la quantité de matière indispensable pour supporter l'appareil, matière arrivant à 7 km/s, puis de calculer l'énergie à dissiper.
Comme elle doit être dissipée par rayonnement, vous pouvez fixer une température max et en déduire la surface par tonne nécessaire.

[zebular]

Comme elle doit être dissipée par rayonnement

Dans le cas d un bouclier thermique,c est par rayonnements ou par effritement?

ou plutôt "ablation" aprés verif

[jacquolintégrateur]

Dès que l'engin frôle les couches denses (moins de 100 km d'altitude) il subira un freinage qui lui fera perdre sa vitesse, et quand il atteint une vitesse qui ne permet plus le maintien balistique, il ne peut que descendre rapidement jusqu'à obtenir le maintien aérodynamique. La transition est donc obligatoirement brutale et se traduit toujours par un freinage de plusieurs g quelque soit le moyen utilisé.
Il n'existe pas de méthode progressive,

Bonjour
Parfaitement exact, mais seulement dans le cas d'un freinage purement atmosphérique. Si l'on fait intervenir la propulsion, on peut, bien sûr, contrôler totalement la rentrée dans l'atmosphère. Naturellement, cela augmente la quantité de propergol à emporter pour une mise en orbite suivie d'une ré-entrée. Ceci ne peut guère être envisagé que si l'on dispose de la propulsion nucléaire. Raison pertinente pour affirmer que l'entrée, "en grand", de l'humanité dans l'espace ne pourra avoir lieu que lorsqu'on aura levé l'interdit, purement politique, qui obère l'usage de l'énergie nucléaire.
Cordialement

[phys4]

Dans le cas d un bouclier thermique,c est par rayonnements ou par effritement?
ou plutôt "ablation" aprés verif

Il y a les deux effets pour un bouclier thermique, le bouclier perd plusieurs mm d'épaisseur.
Mais si l'on envisage un moyen plus grand, tel qu'un super parachute ou des ailes géantes, il n'est plus question d’effritement, il faut que la température reste assez basse, et nous ne pouvons compter que sur le rayonnement puisque l'air ambiant est trop "chaud".

[XK150]

que si l'on dispose de la propulsion nucléaire. Raison pertinente pour affirmer que l'entrée, "en grand", de l'humanité dans l'espace ne pourra avoir lieu que lorsqu'on aura levé l'interdit, purement politique, qui obère l'usage de l'énergie nucléaire.

Salut ,

Il me semble tout de même que ce n'est pas seulement une non acceptation politique ou du public qui empêche la propulsion nucléaire astronautique ,
Je serai curieux de voir un projet d' application détaillée et viable , même sur le papier .
https://fr.wikipedia.org/wiki/Propul...astronautique)

[Black Jack 2]

Bonjour,

En moins technique ... mais plus imagé (pour la question initiale).

Si tu jettes un caillou dans l'eau avec un trajectoire pas trop éloignée de la verticale (au moment de l'impact) ... plouf, le caillou pénètre dans l'eau et freine fortement.

Mais si tu jettes le caillou de telle façon que la trajectoire soit presque parallèle à l'eau (à l'impact), le caillou n'entre pas dans l'eau, il rebondit sur la surface de l'eau (ricochet).

De la même manière, si un engin tente de pénétrer dans l'atmosphère presque tangentiellement à l'atmosphère (ce que tu appelles angle très faible), il n'y pénétrera pas, il rebondira (ricochet).

[Amanuensis]

il rebondira (ricochet).

L'image du ricochet, ou de rebond, est fausse. Déjà indiqué par Phys4 message #2.

[Black Jack 2]

Bonjour,

Et bien c'est l'opinion de Phys4, pas la mienne, ni celle de "l'Université de la Méditerrannée - Aix-Marseilles II" sur ce lien : 194.214.100.224:8090/ANNEXES/COURSDOC/Cours_Mecaspa_Vol4.doc

Ni celles de nombreux autres sites universitaires ... et pas seulement de journalistes incompétents.

Le phénomène de rebond sur l'atmosphère est bien réel, il se passe généralement vers 60 km d'altitude lorsque l'angle de rentrée n'est pas bon.

[Tawahi-Kiwi]

SJe serai curieux de voir un projet d' application détaillée et viable , même sur le papier .

Kiwi & Phoebus ont ete quand meme un peu plus loin que du papier..... ...et c'etait il y a plus de 50ans, donc il y a quelque chose qui bloque, politique ou autre....
https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Rover

https://www.youtube.com/watch?v=ZRTrTRXOaTM

T-K

[Amanuensis]

Le phénomène de rebond sur l'atmosphère est bien réel, il se passe généralement vers 60 km d'altitude lorsque l'angle de rentrée n'est pas bon.

Nul ne conteste la trajectoire, i.e., que la distance avec la surface de la Terre, l'altitude, augmente de nouveau. Ni que cela ressemble à un rebond si on prend le modèle «Terre plate».

Les difficultés sont ailleurs. L'image de ricochet ou de rebond inclut celle d'une impulsion verticale, qui ferait que la trajectoire est «au-dessus» de celle de chute libre ; ce qui demande plus que la simple augmentation de la distance (propriété de la chute libre dans ce cas!). Et donc il faudrait 1) montrer que la trajectoire a bien cette propriété (et pas seulement d'augmentation de l'altitude), 2, si c'était le cas, expliquer l'origine de la force donnant cette impulsion verticale.

J'ai regardé rapidement le .doc. Le mot rebond apparaît deux fois ; aucune n'est associée avec une explication. Et le mot ricochet n'apparaît nulle part.

Que ce soit par les journalistes ou dans des textes universitaires du même type, le mot «rebond» est utilisé pour passer l'image d'une ré-augmentation de l'altitude, d'une rentrée qui ne se fait pas. Si le mot est compris comme signifiant seulement cela, il n'y a pas de problème car c'est compatible avec une trajectoire de chute libre elliptique insuffisamment freinée. Mais associé à «ricochet» le sous-entendu d'une force verticale devient dominant. Et c'est ce sous-entendu qui est contestable.

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Ma compréhension de la physique sous-jacente, compatible avec ce qu'indique Phys4, est la suivante:

La deuxième figure du .doc (dans la section 1.2.3) montre l'arc orbital comme une portion d'ellipse, ellipse qui intersecte la surface terrestre: le périgée est à l'intérieur du globe. Mais si on augmente la distance entre le centre et le périgée, le point de contact avec l'atmosphère se rapproche du périgée et l'ange d'incidence γ_e diminue. Le cas limite est quand le contact se fait au périgée, et alors le freinage est insuffisant et l'engin continue sur l'orbite et donc voit son altitude.

Ce qu'il se passe est que, sans atmosphère, la vitesse de l'engin augmente le long de l'arc orbital du fait de la diminution de l'énergie potentielle. Si le freinage ne compense pas cette augmentation, l'orbite est poursuivie, et il y a «rebond» au sens d'une augmentation de l'altitude.

Phys4 pourra corriger si cette interprétation est erronée.

[Amanuensis]

Kiwi & Phoebus ont ete quand meme un peu plus loin que du papier..... ...et c'etait il y a plus de 50ans, donc il y a quelque chose qui bloque, politique ou autre....
https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Rover

Il n'y a aucune explication dans ce texte du wiki pourquoi le projet n'a pas été poursuivi. Ni même d'ailleurs qu'il n'a pas été poursuivi, sauf l'indication « from 1955 through 1972» dans le chapeau. C'est curieux. Une explication à ces manques?

[Tawahi-Kiwi]

Oui, c'est en effet curieux que cela manque dans le wiki. Autant il y a des explications pour l'absence de developpement du projet Timberwind autant pour Rover, c'est pas tres clair. Comme l'application directe était pour NERVA, l'explication est a trouver de ce coté la... ...le congres a fermé les vannes pour la conquete de Mars en 1972.

T-K

[Black Jack 2]

REbonjour,


Quelques infos ici : http://mecaspa.cannes-aero-patrimoin...E/arc_atmo.htm

Voir notamment la remarque :

NB : Le lecteur aura bien compris que gamma est la pente relative, donc en général négative, pour une rentrée atmosphérique, du moins dans les premiers instants de la rentrée. Il est clair qu'éventuellement cet angle peut momentanément devenir positif lors de "rebonds" sur les couches denses de l'atmosphère; une évasion est même possible après rebond..

Et pour moi "un rebond sur les couches denses de l'atmosphère suivi d'une évasion." j'appelle cela un ricochet.