Signature thermique d’un vaisseau spatial

[invite723dadb8]

Salut à tous,

Je me pose en ce moment quelques questions de thermodynamique appliquée et je me demandais si certains d’entre vous pouvaient m’éclairer.

Soit un vaisseau spatial voyageant au fin fond de l’espace interstellaire. A part la température de -270,15°C (3K) du milieu dans lequel il évolue, aucune perturbation électromagnétique ou gravitationnelle à l’horizon.

Ce vaisseau est constitué de trois zones distinctes : une zone habitée (n°1), une zone non-habitée (n°2) et la zone qui voit l’éjection des gaz des propulseurs (n°3).

La salle n°1 est climatisée, et contient de l’air à une température de 17°C (290,15K). Elle héberge trois personnes dégageant chacune une température de 37°C (305,15K).

La salle n 2 n’est pas climatisée et est entièrement occupée par le générateur du vaisseau produisant une chaleur de 50°C (323,15K) et qui est en contact direct avec la coque.

La troisième zone, la truyère, dégage une chaleur de 500°C (773,15 K).

La coque du vaisseau est constituée d’un matériau qui a un indice de conductivité de 500 W/m/K.

Ce que j’aimerai savoir c’est quelle serait la température de la coque au contact du vide spatial au niveau de la salle climatisée et au niveau de la salle des machines, si le fait qu’il y ait trois personnes dans la salle climatisée serait quand même décelable de l’extérieur et enfin si la chaleur dégagée par les gaz d’échappement n’allait pas perturber encore plus la fraîcheur du « vide » et compliquer le calcul de la température de la coque pour les autres zones.

Est-ce que quelqu’un pourrait m’expliquer (en des termes simples s’il vous plait) quelle signature thermique serait perceptible (s’il y en a qu’une seule d’ailleurs !) par un observateur à disons 1.000 mètres ?

En fait j’ai ma petite idée sur quels phénomènes thermodynamiques sont en jeu à chaque fois (convection, conduction, rayonnement, etc.), mais je ne vois pas bien ce qui se passe à l’intersection de plusieurs zones et comment tout cela va se propager avec la distance.

Des idées ?
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[invite723dadb8]

Ben dites donc elle vous parle pas beaucoup ma question !

Je ne vous demande pas de tout calculer exactement (désolé pour ceux qui y sont encore), mais uniquement de me dire, pour ceux qui ont une petite expérience en thermodynamique, comment vous voyez la signature du vaisseau vu de l'extérieur.

Peut-on voir la signature distincte des 3 personnes malgré le fait qu'elles soient entourées d'un air à température régulé ? Peut-on voir autre chose d'ailleur que la signature des propulseurs qui sont beaucoup plus chaud que les autres parties du vaisseau ?

[inviteb865367f]

Je me demande si la question est d'ordre thermodynamique ou d'autre auqisition / traitement d'image IR.

Pour répondre à la première question : la température de la coque, je dirai que ca dépend des surfaces d'échange entre le générateur et la coque, le moteur et la coque, le vide et la coque.

Je vois mal comment la tuyére interagit avec le vaisseau, je dirai que l'échauffement de la tuyère se propage vers la coque.. mais il manque des données alors.

Le première question à se poser serait de considérer une capsule sphèrique climatisée contenant deux personnes, sans rien d'autre. La c'est plus facile dans la mesure où on connait la température de la coque coté interieur (290 K), reste à calculer celle coté exterieur.

[invite723dadb8]

Je me demande si la question est d'ordre thermodynamique ou d'autre auqisition / traitement d'image IR.

Je me suis peut-être trompé ! Je cherche à simuler un détecteur utilisable dans l'espace et je pensais que pour simuler la signature thermique il me fallait juste savoir quelle était la température de chaque système. Il y a des formules pour le traitement d'images infrarouge qui me conviendraient plus ?

Pour répondre à la première question : la température de la coque, je dirai que ca dépend des surfaces d'échange entre le générateur et la coque, le moteur et la coque, le vide et la coque.

Il faut aussi s'intéresser à la surface d'échange ? Je pensais que puisque l'on voulait la température de chaque système, l'épaisseur de la coque et la conductivité du matériau de la coque suffisaient comme variables d'état.

Je vois mal comment la tuyére interagit avec le vaisseau, je dirai que l'échauffement de la tuyère se propage vers la coque.. mais il manque des données alors.

Oui je pensais que la chaleur dégagée par la truyère allait réchauffer l'espace autour de la coque et compliquer encore plus le calcul de la température de la coque externe. Et sinon il manque quoi comme données ?

Le première question à se poser serait de considérer une capsule sphèrique climatisée contenant deux personnes, sans rien d'autre. La c'est plus facile dans la mesure où on connait la température de la coque coté interieur (290 K), reste à calculer celle coté exterieur.

Et pourquoi une capsule sphérique ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteb865367f]

Et pourquoi une capsule sphérique ?

Bah c'est un cas bcp plus simple. (pourquoi sphèrique ? parce que une capsule sphérique résiste mieux au contrainte de pression )

Oui je pensais que la chaleur dégagée par la truyère allait réchauffer l'espace autour de la coque et compliquer encore plus le calcul de la température de la coque externe. Et sinon il manque quoi comme données ?

Réchauffer l'espace ? en modellisant l'espace par le vide, on ne réchauffe pas le vide. L'énergie disipée par radiation est la seule à quitter le vaisseau, et n'a aucune influence sur l'espace.

Donc si tu veux que la tuyère ait une influence sur le vaisseau il fois qu'il y ait transmission d'énergie thermique de cette manière : le gaz chauffe dans le système de propulsion qui chauffe à son tour ce qui chauffe le vaisseau -> la section 2 qui est en contact avec la section 3.

Cependant avec un système de propulsion tu compliques le problème donc c'est pour ca que je proposais de commencer par l'ignorer ou deconsidérer le problème moteur éteint.

Il faut aussi s'intéresser à la surface d'échange ? Je pensais que puisque l'on voulait la température de chaque système, l'épaisseur de la coque et la conductivité du matériau de la coque suffisaient comme variables d'état.

Le refroidissement radiatif est directement proportionnel à la surface radiative (logique n'est ce pas ?)
De même il faudrait des dimensions des sections pour déterminer les surface d'échange entre la coque et les sections.
Pour faire simple on peut considérer de section, une à t1, l'autre à t2, les températures des sections sont constantes. On peut prendre des sections cubiquesde 1x1x1m, et une coque d'épaisseur E autour de chaque section (on a donc E entre S1 et le vide, E entre S1 et S2, E entre S2 et le vide, ce qui fait un vaisseau en forme de parralépipède rectangle).
Ca a déjà l'air plus simple à mettre en équation.

[invite4da4211a]

La trace thermique la plus remarquable proviendrait des mollécules ejectées par la fusée. Comme nous sommes dans le vide et que le vaisseau se déplace vers l'avant, cette trace aura une forme conique. Et comme la chaleur de ces molléculles ejectée se dissippe par radiation, plus le diamètre du cône augmente, plus la Temp. diminue.

[invite19415392]

Il serait plus idoine de voir le tout en fonction des puissances apportées ; parce que là, si tu dis que la salle est vraiment climatisée à 17°C, par définition l'influence des 3 personnes dedans est nulle.
Sinon, en étant très grossier, les 3 personnes représentent 300 Watts ; j'ai vraiment du mal à me dire que ça pourrait ne pas être complètement négligeable devant toutes les autres dépenses du vaisseau (lumière - générateurs d'éléctricité - recyclage - ventilation), sans même compter la propulsion. Donc, est-ce qu'on peut vraiment mesurer leur présence : non, et ce d'autant plus qu'un observateur extérieur n'a à priori aucune connaissance des dépenses internes.
Maintenant, si on considère que l'observateur extérieur connait parfaitement le vaisseau, il pourrait probablement déduire des relevés d'émission la puissance dissipée dans le vaisseau, avec même une vague idée de la répartition de l'utilisation de la puissance dans le vaisseau, et en inférer un mode de fonctionnement, avec en particulier le nombre d'occupants du vaisseau - parce qu'un occupant en plus nécessite plus de puissance (plus de recyclage, plus de ventilation, plus d'eau chaude, etc.).

[invite723dadb8]

Quand j'avais posé ma question il y a quelques mois, c'était dans le but de développer un détecteur "passif" pour un simultateur de vaisseau spatial.

Comme une cigarette en pleine nuit, qui se voit de très loin, je m'était imaginé qu'un vaisseau spatial se verrait aussi de très loin dans le vide glacial de l'espace interstellaire.

Lorsque le vaisseau se déplace, je pense qu'effectivement la température des autres systèmes est négligeable, mais j'en suis toujours à chercher quelle trace énergétique (exprimée en Watts, en °C ou K, ...) à telle ou telle distance.

Lorsque le vaisseau ne se déplace pas, seuls les systèmes internes dissipent de la chaleur, et je cherche là aussi à déterminer quelle serait la trace du vaisseau vu de l'extérieur.

[invite19415392]

La seule trace accessible sera le rayonnement du vaisseau ; et vu sa température, ça sera du rayonnement IR (pour ne pas dire IR lointain).

Ensuite, tu as deux façons de voir les choses :
- la compliquée, c'est de te fixer une température à l'équilibre à l'intérieur, puis de te fixer un coefficient de conductivité thermique associé à une épaisseur et une surface, d'en déduire la température à l'équilibre de la surface, et du coup par les lois idoines (loi de Stefan, loi de Wien), d'en déduire les propriétés du rayonnement sortant.
- la simple, c'est de fixer la puissance dissipée par ton vaisseau (tu dois en avoir une idée), de dire qu'à l'intérieur tu es à l'équilibre donc que tout ce que tu dissipes va vers l'extérieur, puis de diviser par la surface pour connaître le flux sortant, et ensuite zou, loi de Stefan et loi de Wien si tu veux détailler les caractéristiques du rayonnement.

Si tu n'es pas familier avec le rayonnement du corps noir, je te conseille une petite recherche sur Google, par exemple je suis tombé sur ce site pas mal fait :
http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/...partie1_2.html

[invite723dadb8]

La seule trace accessible sera le rayonnement du vaisseau ; et vu sa température, ça sera du rayonnement IR (pour ne pas dire IR lointain).

Jusque là je comprends et je suis d'accord, quoi que, à faible distance, le vaisseau puisse être détecté dans la lumière visible, surtout si le dit vaisseau croise à proximité d'une étoile dont il va réfléchir la lumière. Mais bon je m'emballe et je m'égare.

Ensuite, tu as deux façons de voir les choses :
- la compliquée, c'est de te fixer une température à l'équilibre à l'intérieur, puis de te fixer un coefficient de conductivité thermique associé à une épaisseur et une surface, d'en déduire la température à l'équilibre de la surface, et du coup par les lois idoines (loi de Stefan, loi de Wien), d'en déduire les propriétés du rayonnement sortant.
- la simple, c'est de fixer la puissance dissipée par ton vaisseau (tu dois en avoir une idée), de dire qu'à l'intérieur tu es à l'équilibre donc que tout ce que tu dissipes va vers l'extérieur, puis de diviser par la surface pour connaître le flux sortant, et ensuite zou, loi de Stefan et loi de Wien si tu veux détailler les caractéristiques du rayonnement.

Au début, pour mon simulateur, j'avais la prétention de vouloir définir une température pour chaque système du vaisseau et en fonction de leur utilisation ou non de déterminer leur participation à la signature thermique du vaisseau vu de l'extérieur. Ensuite en disant arbitrairement que toutes les salles du vaisseau étaient climatisées, j'ai simplifié en donnant une température homogène à l'intérieur du vaisseau, mais je me heurte toujours à la dissipation de cette température à l'extérieur du vaisseau (par conduction) et ensuite dans le vide (par rayonnement). J'avais trouvé à l'époque un excellent site qui proposait des programmes pour tester mes paramètres (http://www.thermal-wizard.com/tmwiz/), mais j'ai du mal à trouver ce que je cherche à mon niveau de compréhension.

Si tu n'es pas familier avec le rayonnement du corps noir, je te conseille une petite recherche sur Google, par exemple je suis tombé sur ce site pas mal fait :
http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/...partie1_2.html

Familier avec les corps noirs, non je ne le suis pas ! J'avais déjà trouvé cette page en recherchant des informations sur le rayonnement électromagnétique (dont fait partie les IR) et même si je ne comprenais pas tout à l'époque (je comprends juste un petit peu plus aujourd'hui) les petits programmes qui sont disponibles sur le site m'avaient permis de tester mes différents cas de figure. J'étais parti sur la formule "Calcul de la température des planètes avec atmosphère non absorbante" en fixant un albédo de zéro pour simuler n'importe quel point de l'espace, mais dès que mon vaisseau "s'approchait" du Soleil, les données devenait farfelues. Il faudrait sans doute que je me contente de la formule "Calcul de la constante solaire", mais le programme me donne un résultat en Watt alors que j'aurais préféré rester en Kelvin.

Si tu te sens l'âme d'un professeur, je suis à l'écoute d'explications plus simplistes sur les différentes lois de la thermodynamique (Lois de Planck, de Wien et de Stephan). Mais surtout, au-delà des principes et des lois, je suis preneur d'une explication sur l'usage de telle ou telle formule à utiliser à tel ou tel moment de ma simulation.

Pour le moment, mon vaisseau voit tout ce qu'il y a autour de lui (ce qui n'est pas si aberrant que ça finalement à courte et moyenne distance), se déplace selon les principes newtoniens (on n'est plus sur Terre non plus mais dans l'espace), mais j'ai du mal à lui faire comprendre qu'il peut se prendre des astéroïdes (les tests de collisions sont compliqués avec de grandes vitesses sur de grandes distances).

[invite19415392]

Si tu te sens l'âme d'un professeur, je suis à l'écoute d'explications plus simplistes sur les différentes lois de la thermodynamique (Lois de Planck, de Wien et de Stephan). Mais surtout, au-delà des principes et des lois, je suis preneur d'une explication sur l'usage de telle ou telle formule à utiliser à tel ou tel moment de ma simulation.

Pour ce que tu cherches à faire, les deux seules lois vraiment importantes sont d'abord la loi de Stefan, et ensuite la loi de Wien.

Loi de Stefan : elle te donne la puissance surfacique du rayonnement émis par une surface (de corps noir) portée à une température T donnée. La formule est :
P_s = Sigma. T^4, où Sigma = 5.67.10^(-8) W.m-2.K-4

Si tu te places à l'équilibre thermodynamique, et que tu connais la puissance dissipée à l'intérieur de ton vaisseau (faisons simple : au total 10kW), tu peux dire que c'est égal à la puissance rayonnée à la surface de ton vaisseau : donc si tu te donnes une surface (mettons 20m²), tu peux en déduire la température de surface externe :
T = racine_quatrième (P/(SxSigma))
Ici, ça donnerait : T = 306 K.

Note que pour être tout à fait propre, il faudrait aussi prendre en compte l'énergie incidente (par exemple si tu es proche du soleil, la quantité d'énergie que tu reçois de sa part est non négligeable).

Pour calculer la puissance reçue à une certaine distance, le mieux (au sens : le plus simple) est de considérer que ton vaisseau est suffisament sphérique pour pouvoi dire que le rayonnement est isotrope. Dans ce cas, la puissance surfacique reçue à une distance D du vaisseau (considéré comme étant de rayon R) est :
P_s_reçue = P_s_émise * R²/D², soit :
P_s_reçue = P_émise / (4*Pi*D²)

Enfin, la loi de Wien te permet de déterminer quelle est la longueur d'onde principale dans la distribution énergétique du rayonnement, ce qui permet notamment de savoir si le rayonnement est essentiellement dans le visible, ou dans l'IR, etc.

La loi de Wien te donne Lambda (longueur d'onde) selon la température du corps noir émetteur par la formule :
Lambda x T = 3000 µm.K

Note cependant qu'il faut bien insister sur le côté 'principal' ; par exemple pour le soleil (Température externe = 6000 K), la longueur d'onde principale est à 0.5 µm, c'est à dire du jaune, mais le rayonnement solaire est large est comprend tout le spectre du violet au rouge (et même au-delà, dans les UV et l'IR).

Dans le cas de ton vaisseau, si je reprend la valeur d'une température externe de 306K, on obtient environ 0.1 µm pour la longueur d'onde, càd du proche IR.

Voilà, si tu as d'autres questions (genre si je n'ai pas été très clair ), n'hésites pas.

[invite723dadb8]

Tout d'abord merci de cette réponse claire et précise.

J'avais pas bien compris le pourquoi du comment de chaque formule et le fait que tu décrives leur utilisation aide beaucoup à la compréhension. En fait je me rend compte que je ne comprenais pas, parce que je ne savais pas comment gérer les différents paramètres et les différentes unités de mesure des formules.

Pour la loi de Stephan et la dissipation d'une radiation, c'est Ok, mais je ne vois pas bien l'intérêt de la loi de Wien : savoir quelle est la longueur d'onde 'principale' d'un rayonnement électromagnétique. Cela n'aurait-il pas été plus utile de savoir quelle est la longueur d'onde minimale et maximale pour déterminer la largeur du spectre et savoir si on émet dans le visible ou non ?

Bon, j'essaye de mettre ça en informatique et je te dirais ce que cela donne.

[invite19415392]

Ce qu'il y a, c'est que le spectre s'étend /à priori/ à l'infini sur les longueurs d'ondes (même si dès qu'on s'éloigne vraiment du pic, la puissance est négligeable).
C'est en fait complètement décrit par la loi de Planck, qui donne la distribution énergétique précise d'un rayonnement.

Le site que je t'avais indiqué peut te donner une idée de ce à quoi ressemble un spectre de corps noir (ie la distribution énergétique du rayonnement en fonction de la longueur d'onde). Je ne connais pas de formule simple pour déterminer la largeur à mi-hauteur d'un spectre de corps noir, mais bon je n'y ai jamais vraiment réfléchi non plus

[invite723dadb8]

C'est en fait complètement décrit par la loi de Planck, qui donne la distribution énergétique précise d'un rayonnement.

Je me disais bien aussi qu'après Stephan et Wien, il manquait quelqu'un à la fête

Je ne connais pas de formule simple pour déterminer la largeur à mi-hauteur d'un spectre de corps noir, mais bon je n'y ai jamais vraiment réfléchi non plus.

Pas la peine d'y passer le week-end non plus (sauf si ta curiosité est la plus forte), pour ma part j'ai déjà assez de formules à mettre en code pour le moment