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 Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???

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Carlito


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MessageSujet: Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???   Mar 26 Mar 2013 - 0:03

Bonjour

Nous avons SpaceX, qui met 10 merlin par falcon 9 afin de produire en grande série des moteurs pour réduire les coûts.
Nous avons Ariane 6, qui devrait être une fusée PPH, avec 3 ou 4 blocs solides identiques produits eux aussi en série pour réduire les coûts.
Nous avons Vega, avec les 3 premiers étage à poudre avec de bonnes performances (pour du solide) mais tous différents donc chers.
Nous avons enfin l'ancien concept OTRAG de fusée composée d'un grand nombre de modules simples et standardisés (ergols liquides) pour réduire les coûts.

Secouons tout ça et hop, une idée bizarre : le haut d'une ariane 5 ou 6, et dessous 2 ou 3 étages composés de dizaines de petits modules à poudre rigoureusement identiques et produits en très grande série, un peu comme OTRAG.

Sauf erreur de ma part, la taille d'un moteur solide a peu d'impact sur ses performances (même matières => même pression de combustion, même Isp, même indice structurel), tandis que sa taille impacte très fortement sur son coût (quantité produite, taille des installations de production, transport, assemblage,...). Si c'est juste, il devrait être possible, en remplaçant par exemple chaque bloc solide d'une ariane 6 par un fagot de 10 moteurs solides plus petits, de réduire fortement les coûts de lancement en conservant les mêmes performances.

Est-ce un bon concept de fusée lowcost, ou est-ce qu'il y a une grosse erreur de raisonnement quelque part ?
Je suppose que c'est le 2ème cas vu que je n'ai rien trouvé de similaire sur le net, mais je ne voit pas ce qui cloche dans cette idée scratch
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yoann


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MessageSujet: Re: Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???   Mar 26 Mar 2013 - 0:51

Carlito a écrit:

le haut d'une ariane 5 ou 6, et dessous 2 ou 3 étages composés de dizaines de petits modules à poudre rigoureusement identiques et produits en très grande série, un peu comme OTRAG

[...]

Est-ce un bon concept de fusée lowcost, ou est-ce qu'il y a une grosse erreur de raisonnement quelque part ?

Ta fusée s'apelle tout simplement ariane 6. bloc a poudre tous identiques, et etage esc-b (moteur vinci) de la futur evolution d'ariane-5ME.

c'est a sa que tu penserai ?
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Henri
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MessageSujet: Re: Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???   Mar 26 Mar 2013 - 1:33

Carlito a écrit:
Bonjour

Nous avons SpaceX, qui met 10 merlin par falcon 9 afin de produire en grande série des moteurs pour réduire les coûts.
Nous avons Ariane 6, qui devrait être une fusée PPH, avec 3 ou 4 blocs solides identiques produits eux aussi en série pour réduire les coûts.
Nous avons Vega, avec les 3 premiers étage à poudre avec de bonnes performances (pour du solide) mais tous différents donc chers.
Nous avons enfin l'ancien concept OTRAG de fusée composée d'un grand nombre de modules simples et standardisés (ergols liquides) pour réduire les coûts.

Secouons tout ça et hop, une idée bizarre : le haut d'une ariane 5 ou 6, et dessous 2 ou 3 étages composés de dizaines de petits modules à poudre rigoureusement identiques et produits en très grande série, un peu comme OTRAG.

Sauf erreur de ma part, la taille d'un moteur solide a peu d'impact sur ses performances (même matières => même pression de combustion, même Isp, même indice structurel), tandis que sa taille impacte très fortement sur son coût (quantité produite, taille des installations de production, transport, assemblage,...). Si c'est juste, il devrait être possible, en remplaçant par exemple chaque bloc solide d'une ariane 6 par un fagot de 10 moteurs solides plus petits, de réduire fortement les coûts de lancement en conservant les mêmes performances.

Est-ce un bon concept de fusée lowcost, ou est-ce qu'il y a une grosse erreur de raisonnement quelque part ?
Je suppose que c'est le 2ème cas vu que je n'ai rien trouvé de similaire sur le net, mais je ne voit pas ce qui cloche dans cette idée scratch
Le point commun entre 10 moteurs à ergols liquides et dix moteurs à ergols solides est de multiplier par 10 la probabilité de panne d'un des moteurs par rapport à une configuration à moteur unique.
La première différence entre les deux c'est que le mode de panne le plus courant d'un moteur à ergols liquides est la simple extinction alors que dans le cas d'un moteur à ergols solides le mode de panne le plus courant est ce qu'on nomme pudiquement le "désassemblage dynamique".
La deuxième différence est qu'un moteur à ergols solides qui viendrait miraculeusement à n'avoir comme panne qu'une simple extinction aurait ses ergols inutilisés alors que dans le cas de moteurs à ergols liquides les autres moteurs peuvent fonctionner plus longtemps pour utiliser la totalité des ergols.
Le principe général est de retenir le lanceur tant que l'on a pas constaté le bon fonctionnement des 10 moteurs (si l'un des 10 tombe en panne après le lancement, le lanceur se sera suffisamment allégé pour que ce ne soit pas source d'une poussée insuffisante). Mais retenir un lanceur moteurs allumés n'est possible qu'avec des moteurs à ergols liquides, car on peut les éteindre à la demande, alors qu'il est impossible d'arrêter des moteurs à ergols solides une fois qu'ils fonctionnent.
Dernières différences qui valent leur pesant de cacahouètes : un propulseur solide est lourd, dangereux à confectionner et à transporter car il contient déjà ses ergols alors qu'un étage à ergols liquides est très léger car on ne le charge en ergols que peu de temps avant le tir et la manipulation des ergols est plus sûre car carburant et comburant sont physiquement séparés...
De plus les propulseurs solides génèrent des niveaux de vibrations plus élevés que les moteurs à ergols liquides, au point d'endommager des charges utiles si elles sont insuffisamment "durcies" contre un niveau élevé en décibels.

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Carlito


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MessageSujet: Re: Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???   Mar 26 Mar 2013 - 12:59

yoann a écrit:
Ta fusée s'apelle tout simplement ariane 6. bloc a poudre tous identiques, et etage esc-b (moteur vinci) de la futur evolution d'ariane-5ME.
c'est a sa que tu penserai ?
C'est bien une PPH (ou une PPPH), et ce pourrait en effet être une Ariane 6, mais assez différent quand même, avec des propulseurs solides beaucoup plus nombreux et plus petits. En bidouillant une image d'Ariane 6, ça donnerait par exemple ceci :


La version "OTRAG" avec une centaine de propulseurs va sans doute trop loin :drunken: (quoique Surprised), mais celle à 28 propulseurs me paraît intéressante. Avec 12 lancements d'A6 par an, il faudrait produire environ un propulseur par jour, donc on aurait une vrai production en série, avec je suppose un grosse réduction des couts à la clé.
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Carlito


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MessageSujet: Re: Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???   Mar 26 Mar 2013 - 13:01

Henri a écrit:
Le point commun entre 10 moteurs à ergols liquides et dix moteurs à ergols solides est de multiplier par 10 la probabilité de panne d'un des moteurs par rapport à une configuration à moteur unique.
La première différence entre les deux c'est que le mode de panne le plus courant d'un moteur à ergols liquides est la simple extinction alors que dans le cas d'un moteur à ergols solides le mode de panne le plus courant est ce qu'on nomme pudiquement le "désassemblage dynamique".
La deuxième différence est qu'un moteur à ergols solides qui viendrait miraculeusement à n'avoir comme panne qu'une simple extinction aurait ses ergols inutilisés alors que dans le cas de moteurs à ergols liquides les autres moteurs peuvent fonctionner plus longtemps pour utiliser la totalité des ergols.
Le principe général est de retenir le lanceur tant que l'on a pas constaté le bon fonctionnement des 10 moteurs (si l'un des 10 tombe en panne après le lancement, le lanceur se sera suffisamment allégé pour que ce ne soit pas source d'une poussée insuffisante). Mais retenir un lanceur moteurs allumés n'est possible qu'avec des moteurs à ergols liquides, car on peut les éteindre à la demande, alors qu'il est impossible d'arrêter des moteurs à ergols solides une fois qu'ils fonctionnent.

En effet, ce sont des arguments pertinents, mais si on compare avec les autres solutions, j'ai le sentiment que ce n'est pas si problématique.

Comparaison avec Ariane 6 :
Avec 28 propulseurs au lieu de 4, on multiplie le risque d'échec par 7. Mais un ensemble de x petits propulseurs peut être aussi fiable voir plus plus fiable que le gros qu'il remplace car :
- les propulseurs sont plus facile à produire et à vérifier
- ils peuvent être produit en grande série et de façon industrielle
- Avec le même budget de test, on peut en bruler au moins 10 fois plus pour s'assurer de la fiabilité quasi parfaite du module de base
Donc ça tient à mon avis la comparaison avec une A6 en terme de fiabilité.
Et même si la solution avait quand même 7 fois plus de chances de faire échouer le lancement, il ne s'agit que de la contribution des étages solides, il reste toutes les autres sources d'échec, donc la probabilité totale d'échec ne serait pas x7

Comparaison avec Falcon 9 :
Oui, on peut tester un moteur liquide au sol et tout annuler en cas de dysfonctionnement (avec un cout non négligeable donc il ne faut pas que ça arrive trop souvent). Mais un moteur avec turbopompe est complexe, il est forcément beacoup plus sujet à la panne qu'un propulseur solide. Au final, le risque de dysfonctionnement du liquide après décollage ne reste-t-il pas supérieur au risque décollage vol du solide ?
De plus, un merlin peut aussi exploser en vol, détruisant la fusée ou un ou des moteurs voisins, ou même sur le pas de tir. Le risque de défaillance grave et explosive du liquide est-il si éloigné que pour le solide ?

Et les 9 merlins capables de compenser l'arrêt de l'un d'entre eux, c'est pour augmenter la fiabilité, ou pour se permettre des moteurs moins fiables et moins chers ? On ne le saura qu'après un grand nombre de lancements

Mais surtout : il y a 1 seul Merlin au 2ème étage, et au moindre problème sur ce moteur, la mission sera un échec complet. Donc quelque soit la fiabilité du 1er étage avec 9 merlin, la probabilité d'échec du lancement sera au minimum celle d'un seul merlin, non allumé au décollage en plus.

Henri a écrit:
Dernières différences qui valent leur pesant de cacahouètes : un propulseur solide est lourd, dangereux à confectionner et à transporter car il contient déjà ses ergols alors qu'un étage à ergols liquides est très léger car on ne le charge en ergols que peu de temps avant le tir et la manipulation des ergols est plus sûre car carburant et comburant sont physiquement séparés...
D'où l'avantage des propulseurs beaucoup moins gros et lourds. S'ils sont en plus remplis d'ergols sur place en en flux tendu, ça peut aider. Pour la sécurité, le liquide a aussi des contraintes, mais j'ai du mal à comparer.
Henri a écrit:
De plus les propulseurs solides génèrent des niveaux de vibrations plus élevés que les moteurs à ergols liquides, au point d'endommager des charges utiles si elles sont insuffisamment "durcies" contre un niveau élevé en décibels.
Là, j'avoue que je n'y connait rien du tout, mais si on y arrive avec Vega, Ariane 6 et d'autre fusées à propulsion solide, ça doit pouvoir se gérer non ?


Dernière édition par Carlito le Mar 26 Mar 2013 - 15:16, édité 2 fois
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lionel


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MessageSujet: Re: Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???   Mar 26 Mar 2013 - 13:43

J'ai toujours pensé qu'en multipliant les propulseurs on multiplie les risques d'échec. Je ne sais pas si j'ai raison mais regardons la N1 avec tout ses moteurs. Ya avait toujours un pour exploser Laughing
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Pline




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MessageSujet: Re: Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???   Mar 26 Mar 2013 - 21:33

La masse à vide d'un étage croit généralement avec le nombre de moteurs. Dans le cas d'Otrag, c'était particulièrement criant mais c'est également vrai pour le lanceur Falcon 9. J'ai calculé qu'il y avait par exemple une pénalité de 1,5 tonnes par rapport à une motorisation à base du très très vieux moteur russe NK-33 équipant le lanceur Antarès qui a une poussée 3,5 fois supérieure (en coupant un moteur en deux pour la démonstration).
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Carlito


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MessageSujet: Re: Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???   Mer 27 Mar 2013 - 0:18

lionel a écrit:
J'ai toujours pensé qu'en multipliant les propulseurs on multiplie les risques d'échec. Je ne sais pas si j'ai raison mais regardons la N1 avec tout ses moteurs. Ya avait toujours un pour exploser Laughing
La N1 était une véritable usine à gaz, dans un contexte bien différent.
Dans le cas présent, avec des petits propulseurs à poudre relativement simples (techno bien maitrisée) et produits en grande série, assez économiques pour une campagne de test intensive, on doit pouvoir atteindre une fiabilité exceptionnelle.

Pline a écrit:
La masse à vide d'un étage croit généralement avec le nombre de moteurs. Dans le cas d'Otrag, c'était particulièrement criant mais c'est également vrai pour le lanceur Falcon 9. J'ai calculé qu'il y avait par exemple une pénalité de 1,5 tonnes par rapport à une motorisation à base du très très vieux moteur russe NK-33 équipant le lanceur Antarès qui a une poussée 3,5 fois supérieure (en coupant un moteur en deux pour la démonstration).
C'est ce que je croyais au début, mais pour le solide, il semble bien que la taille des propulseurs n'ait pas vraiment d'impact sur les performances.

Sur Vega, il y a 3 étages solides de 96t, 26t et 11t, et ils ont le même indice structurel de 7-8%
(voir http://www.arianespace.com/launch-services-vega/VEGAUsersManual.pdf )

Sur les moteurs Orion de Orbital, ça varie pas mal et c'est moins bon, mais c'est pas clair.

Sur les moteurs ATK, les gros castor ont le même indice que sur Vega, mais ils font également des petits moteurs (Star-37XFP de 1t, Star 48VB de 2t), et l'indice structurel est là aussi de 7-8%.
(voir http://www.spacelaunchreport.com/taurus2.html )

Ca colle aussi avec les lois de la physique : Pour une matière et une pression donnée, un tube doit avoir un rapport diamètre/épaisseur constant, donc le volume de paroi est proportionnel au volume total.
L'indice structurel est pourri avec l'acier ou l'alu vu les hautes pression nécessaires pour avoir une Isp approchant les 300s, mais il est bon avec le titane et les composite carbone/epoxy.

Bref, sauf erreur, 10 propulseurs 10 fois plus petits peuvent avoir globalement le même indice structurel qu'un seul.
(et attacher les propulseurs en fagots ne doit pas couter très cher en masse).



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Akwa


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MessageSujet: Re: Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???   Mer 27 Mar 2013 - 15:04

Carlito a écrit:
[...]
Bref, sauf erreur, 10 propulseurs 10 fois plus petits peuvent avoir globalement le même indice structurel qu'un seul.
(et attacher les propulseurs en fagots ne doit pas couter très cher en masse).

Et comment tu orientes ta fusée avec 140 propulseurs à poudre ?
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Anubis


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MessageSujet: Re: Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???   Mer 27 Mar 2013 - 21:10

Ton concept me fait penser au lanceur Conestoga 1620 qui s'est soldé malheureusement par un échec en explosant en plein vol.

La cause de l'échec selon l'article de wikipédia.

Citation :
Le résultat de l'enquête indique qu'une source inconnue de bruit basse fréquence aurait perturbé le système de guidage, conduisant la fusée à sa perte. La fiabilité des moteurs Castors n'étant plus à prouver, rien ne prédestinait Conestoga 1620 au sort tragique qu'elle connu.
Cet échec entraîna la faillite du groupe EER Systems.
http://www.b14643.de/Spacerockets_2/United_States_7/Conestoga/Description/Frame.htm
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Carlito


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MessageSujet: Re: Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???   Mer 27 Mar 2013 - 21:35

Akwa a écrit:

Et comment tu orientes ta fusée avec 140 propulseurs à poudre ?
Ben il y a au moins la solution des vérins sur les tuyères, comme sur les EAP D'A5, comme sur les étages Vega, comme sur la plupart des fusées à propulsion liquide ou solide.
Après, avec un grand nombre de propulseurs, il y a sans doute plus astucieux que mettre 2 vérins sur chaque tuyère. Il doit être possible d'avoir un seul vérin par moteur, orienté différemment suivant leur emplacement, pour réduire la masse à vide. Si le vérin peut être actionné par la pression dans la tuyère, ça ferait gagner du poids aussi.

Sinon, il est possible d'ajouter des petits moteur de contrôle de trajectoire, ou encore d'avoir 4 des propulseurs orientables (pivot + vérin).

En tout cas, je vois pas d'impossibilité ici, juste une gestion potentiellement plus complexe s'il y a beaucoup de petits actionneurs au lieu de quelques gros.
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Pline




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MessageSujet: Re: Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???   Mer 27 Mar 2013 - 21:56

Carlito a écrit:

Pline a écrit:
La masse à vide d'un étage croit généralement avec le nombre de moteurs. .
C'est ce que je croyais au début, mais pour le solide, il semble bien que la taille des propulseurs n'ait pas vraiment d'impact sur les performances.
On évoquait des lanceurs avec une propulsion à ergols liquides qui ne sont absolument pas comparables à des fusées à propulsion solide. Par ailleurs dans les cas que tu cites il n'y pas de juxtaposition de moteurs sur le même étage.
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MessageSujet: Re: Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???   Mer 27 Mar 2013 - 22:40

Pline a écrit:
On évoquait des lanceurs avec une propulsion à ergols liquides qui ne sont absolument pas comparables à des fusées à propulsion solide.
Désolé, je n'avais pas compris que ta remarque ne concernait que le liquide.
Pline a écrit:

Par ailleurs dans les cas que tu cites il n'y pas de juxtaposition de moteurs sur le même étage.
Certes, mais si 1 propulseur solide indépendant à un indice structurel de 8%, un fagot de 10 propulseurs identiques a aussi un indice de 8% (enfin 8.x% en comptant la masse de la structure reliant les propulseurs)
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MessageSujet: Re: Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???   Jeu 28 Mar 2013 - 0:46

Anubis a écrit:
Ton concept me fait penser au lanceur Conestoga 1620 qui s'est soldé malheureusement par un échec en explosant en plein vol.
Intéressant, je ne connaissais pas. Les 2 premières versions ressemblent furieusement à Ariane 6, sauf que la forme plus allongée des propulseurs permet d'en mettre plus que 2 ou 3 autour du corps central. C'est d'ailleurs un peu comme ça que j'imaginais une A6 PPH avant les images qui ont filtré, pour pouvoir ajuster plus finement la fusée en fonction de la charge utile.

D'ailleurs, en cherchant des infos sur ce Conestoga, je suis tombé sur cette page de capcom avec beaucoup de concepts solides, et aucun ne s'approche ne serait-ce qu'un petit peu du concept présenté ici avec des dizaines de propulseurs. Je me demande si le problème n'est pas le temps de combustion trop faible et donc une accélération trop forte.
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Ariane6 + Falcon9 + Vega + Otrag = ???
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