Le voilier solaire protonique EST Cube-1

lambda0 a écrit:En première approche, j'aurais considéré qu'ils circulent le long des lignes du champ magnétique terrestre, entre les pôles magnétiques.
Mettons, E=100 MeV, d=10000 /s/cm² (mais plutôt moins si le satellite est bien en dessous de la ceinture intérieure).
http://fr.wikipedia.org/wiki/Ceinture_de_Van_Allen

Le nanosatellite étant à 670 km, il est à la limite inférieure de la première ceinture protonique de Van Allen ( la seconde étant électronique)
Comment circulent ces protons? En spirale autour des lignes de champ magnétiques ? Mais sans déplacement d'ensemble dans l'onde de choc de la Terre dans le vent solaire .
Les protons présents dans l'environnement proches du satellite doivent l'accompagner plus ou moins dans une onde de choc secondaire (celle provoquée par le déplacement relatif du satellite) et on doit considérer l'effet sur la rotation du satellite comme une sorte de frottement( travail négatif des forces électrostatiques) la réduisant progressivement .
Remarque: la force de Lorentz calculée - dans un post précédent d'origine magnétique - ne travaille pas et ne peut que défléchir le mouvement du satellite sans changer son énergie mécanique.

ça fait un paquet de paramètres à prendre en compte :shock: : le vent solaire, le champ magnétique terrestre, le déplacement de la sonde, sa rotation, etc ... qui tous interagissent.
c'est pas un casse-tête estonien, c'est un casse-tête chinois

cosmos99 a écrit:ça fait un paquet de paramètres à prendre en compte :shock: : le vent solaire, le champ magnétique terrestre, le déplacement de la sonde, sa rotation, etc ... qui tous interagissent.
c'est pas un casse-tête estonien, c'est un casse-tête chinois

Effectivement ! ;)
La prochaine fois pour simplifier les calculs, il faut envoyer le vaisseau à voile électrique dans l'Espace interplanétaire, là où il pourrait être efficace ;)

lambda0 a écrit:En première approche, j'aurais considéré qu'ils circulent le long des lignes du champ magnétique terrestre, entre les pôles magnétiques.
Mettons, E=100 MeV, d=10000 /s/cm² (mais plutôt moins si le satellite est bien en dessous de la ceinture intérieure).
http://fr.wikipedia.org/wiki/Ceinture_de_Van_Allen

EDIT, complément:
100 MeV -> 0.5c, mais la trajectoire des protons s'enroule autour des lignes de champ, je pense que la poussée dépendrait surtout de la composante axiale de la vitesse.

Effectivement on doit se rapprocher de protons se déplaçant à la moitié de la vitesse de la la lumière.

L'énergie de masse au repos du proton est de # 938MeV , ce qui donne un facteur relativiste #1,1 et une vitesse v en m/s de:
3.10 ⁸ x( (1,1² -1)/ (1,1²))^1/2
#1,25 .10 ⁸ m/s

Voir un extrait - qui explique ces calculs - de: http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_cin%C3%A9tique

Spoiler:

Ces protons - même s'ils proviennent des protons piégés du vent solaire - sont bien plus rapides ( ceux -ci ne se déplaçant qu'à quelques centaines de km/s) ;
il faudrait connaître de plus leur composante axiale comme tu le dis

Quels effets auront-ils sur une voile électrique? (réduite pour EST-Cube 1 a un filament de 10 m)

J'ai trouvé un des articles originaux sur la théorie du mouvement des particules dans la ceinture (1962)

http://www2.mat.dtu.dk/people/S.Markvorsen/DISPLAY/TEMP/PROOPG/ZZZSUPPORTINGstuff/VanAllenParticles.pdf
Voir figure 4. Remarquer que les particules sont réfléchies lorsque les lignes de champ se resserrent.
Du coup, un satellite se déplaçant dans cette zone doit voir autant de particules dans un sens que dans l'autre...
Mais il y a aussi un mouvement dans le plan équatorial (cf figure 9).
Pour la petite histoire, l'article évoque aussi le projet Argus, un essai nucléaire à 480 km d'altitude, le 27.8.1958 (§3.1), et ses conséquences sur la ceinture.

La première photo de la Terre prise le 15 mai par ESTCUBE au dessus de la Méditerranée montrant aussi la Tunisie et le Sahara :

Spoiler:

Pour sa première photographie, vraiment ESTCUBE a fait très fort ! … Aviez-vous remarqué ce petit point rouge mystérieux ? Ouvrez vite le volet pour découvrir la suite … vous n’allez pas en revenir ! :bounce1:

Spoiler:

Giwa a écrit:Pour sa première photographie, vraiment ESTCUBE a fait très fort ! … Aviez-vous remarqué ce petit point rouge mystérieux ? Ouvrez vite le volet pour découvrir la suite … vous n’allez pas en revenir !
...

:) :shock: :affraid:
Effrayant !
Cassini en avait déjà vu un dans les parages de Saturne il y a quelques années.
Maintenant, c'est chez nous !

lambda0 a écrit:J'ai trouvé un des articles originaux sur la théorie du mouvement des particules dans la ceinture (1962)

http://www2.mat.dtu.dk/people/S.Markvorsen/DISPLAY/TEMP/PROOPG/ZZZSUPPORTINGstuff/VanAllenParticles.pdf
Voir figure 4. Remarquer que les particules sont réfléchies lorsque les lignes de champ se resserrent.
Du coup, un satellite se déplaçant dans cette zone doit voir autant de particules dans un sens que dans l'autre...
Mais il y a aussi un mouvement dans le plan équatorial (cf figure 9).
...

En complément un cours de l’Université de Liège « Géomagnétisme et dynamique des particules chargées » qui analyse les origines et les mouvements des protons et des électrons dans les deux ceintures de Van Allen
http://www2.ulg.ac.be/mathgen/cours/meca/Exint2.pdf
Si les électrons de la couche externe proviennent bien de la queue de l’onde de choc de la Terre avec le vent solaire, ce n’est pas le cas des protons qui proviennent de l’interaction des rayons cosmiques avec les molécules de l’atmosphère résiduelle de la Terre à très haute altitude , ce qui explique que leurs énergies qui peuvent dépasser les centaines de MeV sont sans commune mesure avec celles des protons du vent solaire au voisinage de la Terre.
Concernant les mouvements eux-mêmes, les protons (comme les électrons) sont la superposition de mouvements hélicoïdaux oscillatoires autour des lignes de champ magnétique avec effet miroir aux voisinages des pôles où la vitesse de translation s’annule avant que le mouvement change de sens : pour un proton de basse altitude de 10 MeV le temps de rebond pour un aller-retour est de 65 secondes.
à cela s’ajoute une dérive vers l’ouest des protons (vers l’est pour les électrons)

Deux schéma pages 16 et 19 illustrent cet effet miroir au voisinage des pôles pour des électrons:


C'est aussi valable pour des protons, mais avec un sens de giration inversé:


Évidemment EST Cube-1 - une fois chargé- ne subirait pas cet effet miroir puisque le rapport de charge électrique q à sa masse m serait alors - pour un potentiel électrique de 500 V- :
q/m # 4 ,5.10 ^-9 C/kg, alors que celui du proton est : q/m # 1,60. 10 ^-19 /1,67×10^-27# 9, 58. 10 ⁷ C/kg.

Par contre il subirait un effet de freinage par répulsion électrostatique sur les protons ( " voile protonique ") .
En effet même si les protons se déplacent dans les deux sens par rebond entre les pôles magnétiques , le voilier protonique aura une vitesse relative moyenne par rapport à ces protons : celle de sa vitesse de satellisation.

J'ai trouvé un article analysant les performances de ce type de voilier, pour des trajectoires interplanétaires (donc dans le vrai vent solaire)
"Electric solar wind sail mass budget model"
http://www.geosci-instrum-method-data-syst-discuss.net/2/C206/2012/gid-2-C206-2012-supplement.pdf
Voir tables 1 et 2, page 6, pour les paramètres.
La masse de plusieurs centaines de km de fil est finalement assez négligeable par rapport au reste, et on arrive à des niveaux de poussée comparables aux moteurs ioniques actuels.
Table 2, 4ème colonne : pour une CU de 1000 kg, l'engin a une masse totale de 2535 kg (et 110 kg pour les fils). F = 0.25N pour P = 269 W
Pour comparaison, le moteur ionique NEXT produit 0.24 N, mais nécessite pour cela plus de 7 kW, et un réservoir de xénon.

lambda0 a écrit:
La masse de plusieurs centaines de km de fil est finalement assez négligeable par rapport au reste,

Le challenge sera de concevoir un système de déploiement efficace et fiable.


Même pour le "petit" modèle (donc ce qui constituerait un modèle expérimental) ... il faut déployer 12 fils de 4 km de long en simultané.
La première idée ... ce sont des tambours sur lesquels les fils sont enroulés ( le auxilliary reel assembly du schéma) ... et qui se dévideraient en parfaite synchronisation (la masse du dispositif .... serait bien supérieure à celle des fils)


On en vient a rêver d'un dispositif de fabrication du fil en continu ce qui limiterait les risques de coincement et enchevêtrement.
Assemblage de nano-particules métalliques ? Modification génétique de la Nephila komaci femelle ? :scratch:
http://www.maxisciences.com/araign%E9e/la-plus-grande-espece-d-039-araignee-tisseuse-a-ete-identifiee-en-afrique-du-sud-decouvrez-les-images_art4152.html

montmein69 a écrit:...
On en vient a rêver d'un dispositif de fabrication du fil en continu ce qui limiterait les risques de coincement et enchevêtrement.
Assemblage de nano-particules métalliques ?

Une imprimante 3 D...euh, 1D ;)

montmein69 a écrit:
Modification génétique de la Nephila komaci femelle ? :scratch:
http://www.maxisciences.com/araign%E9e/la-plus-grande-espece-d-039-araignee-tisseuse-a-ete-identifiee-en-afrique-du-sud-decouvrez-les-images_art4152.html

..là, le modèle biologique qui a précédé de"quelques "millions d'années nos imprimantes x D ... bon, pour le moment nous n'envisagerons que x compris ente 1 et 3 !

lambda0 a écrit:J'ai trouvé un article analysant les performances de ce type de voilier, pour des trajectoires interplanétaires (donc dans le vrai vent solaire)
"Electric solar wind sail mass budget model"
http://www.geosci-instrum-method-data-syst-discuss.net/2/C206/2012/gid-2-C206-2012-supplement.pdf
Voir tables 1 et 2, page 6, pour les paramètres.
La masse de plusieurs centaines de km de fil est finalement assez négligeable par rapport au reste, et on arrive à des niveaux de poussée comparables aux moteurs ioniques actuels.
Table 2, 4ème colonne : pour une CU de 1000 kg, l'engin a une masse totale de 2535 kg (et 110 kg pour les fils). F = 0.25N pour P = 269 W
Pour comparaison, le moteur ionique NEXT produit 0.24 N, mais nécessite pour cela plus de 7 kW, et un réservoir de xénon.

Avec encore un avantage de plus par rapport aux voiliers photoniques pour le système solaire externe : la poussée ne décroit plus qu'en 1/r (inversement proportionnellement à la distance au Soleil ) au lieu de 1/r2 (inversement proportionnellement au carré de la distance au Soleil ) pour les toiles de très grande taille

Spoiler:

Des nouvelles d’East Cube-1 :

Suite à une demande sur Face Book le 26 juin de Margo Möls en estonien (traduction par Google) :

Kuidas olukord on?  Quel est le statut?


Réponse le premier juillet 13 de l’équipe de EastCube-1 :


Kõik on hästi! ESTCube-1 töötab korralikult ja alamsüsteemide katsetused jätkuvad, et augustiks põhieksperimendini jõuda.
Tout va bien! ESTCube-1 fonctionne correctement et essais de sous-systèmes continuent d'arriver en Août l'expérience principale
 
Cette expérience principale au mois d'Août doit probablement consister au déploiement du filament et sa mise sous tension. 


Ce délai  - outre les vérifications utiles sur l'appareillage - permettra aussi sans doute de comparer la trajectoire et l’attitude avant et après la mise en fonctionnement de la "voile" protonique.

En attendant le déroulement du filament qui permettra de tester le principe de la poussée protonique , une information intéressante sur les résultats de mesures des sondes jumelles Van Allen Probes qui traversent sur orbite elliptique les ceintures de Van Allen depuis fin août 2012 : http://www.nasa.gov/press/2013/july/nasa-mission-discovers-particle-accelerator-in-heart-of-van-allen-radiation-belts/
"The local acceleration theory proposes the particles gain energy from a local energy source, similar to the way warm ocean water can fuel a hurricane above it. "
Traduction rapide auto Google:" La théorie de l'accélération locale propose le gain d'énergie des particules à partir d'une source d'énergie locale, semblable à la façon dont l'eau chaude de l'océan peut alimenter un ouragan au-dessus."

La navigation à la voile protonique risque d’essuyer quelques grains, tornades et ouragans au passage dans les ceintures de Van Allen  et mieux vaut rejoindre l'océan interplanétaire plus pacifique ... enfin tant que le Soleil n'y souffle pas quelques bourrasques

la voile solaire, c'est forcément mieux que le moteur nucléaire, à mon avis ; quant au fil, le problème n'est pas seulement sa solidité, mais aussi qu'il n'aille pas s'enrouler mal à propos autour d'un débris, d'un caillou ou d'une sonde ou alors ça pourrait se finir en pelote (repelote et dix de der)... l'espace solaire n'est pas si vide que ça !

katalpa a écrit:la voile solaire, c'est forcément mieux que le moteur nucléaire, à mon avis ; quant au fil, le problème n'est pas seulement sa solidité, mais aussi qu'il n'aille pas s'enrouler mal à propos autour d'un débris, d'un caillou ou d'une sonde ou alors ça pourrait se finir en pelote (repelote et dix de der)... l'espace solaire n'est pas si vide que ça !

Pour qu'un débris s'enroule autour de la voile il faudrait que ce débris vienne du sat voilier lui meme, c'est peut probable. Reste les autres débris spatiaux, eux passent à des vitesses tellement élevées qu'ils risquent plutot de couper les cables ou perforer la voile. Cela dit un trou dans la voile ne serait pas grave, les photons n'agissent pas comme le vent d'air, ils ne "fuiteront" pas par le trou. Et puis des débris en orbite terrestre pourquoi pas mais au dela c'est très hautement improbable, une chance sur un million.

Mustard a écrit:

katalpa a écrit:la voile solaire, c'est forcément mieux que le moteur nucléaire, à mon avis ; quant au fil, le problème n'est pas seulement sa solidité, mais aussi qu'il n'aille pas s'enrouler mal à propos autour d'un débris, d'un caillou ou d'une sonde ou alors ça pourrait se finir en pelote (repelote et dix de der)... l'espace solaire n'est pas si vide que ça !

Pour qu'un débris s'enroule autour de la voile il faudrait que ce débris vienne du sat voilier lui meme, c'est peut probable. Reste les autres débris spatiaux, eux passe à des vitesses tellement élevés qu'ils risque plutot de couper les cables ou perforer la voile. Cela dit un toru dansla voile ne serait pas grave, les photons n'agissent pas comme le vent d'air, ils ne "fuiteront" pas par le trou

La chance ou plutôt la malchance que le fil soit coupé par un micro-météorite est effectivement infime et pour une voile protonique , les protons ne passeront pas : le champ électrostatique  y veillera ... enfin avec la mécanique quantique et ondulatoire , rien n'est acquis à 100 % ;) 
Quant aux photons , ils feront ce qui leur plait et ils pourront diffracter si çà leurs chante.
Le fil ne formera pas de pelote , ni de repelote : la force centrifuge y veillera !

Belote et rebelote et dix de der !   :)

Curieux, dans nos derniers posts nous évoquions les possibilités de collision : l'actualité nous rattrape car ce petit matin , souhaitons que EstCube -1 n'a pas été exécuté au dessus de l'Antarctique  à coup d'un débris spatial Cosmos 2251 DEB !

Espérons qu'il est passé à côté : nous le serons bientôt .

Spoiler:

ESTCube-1
En :
ELUS! ALIVE! We got the first signal from ESTCube!  The satellite is at good health, batteries fully loaded

FR :
ELUS! ALIVE! Nous avons obtenu le premier signal de ESTCube! Le satellite est en bonne santé, batteries complètement chargées
 
:)

Des précisions sur l’événement passé en anglais (En) et en français (Fr) : j’ai sorti des volets une explication intéressante sur  une possibilité éventuelle de l’utilisation du freinage par les protons du plasma ceinturant notre Terre (en particulier les ceintures de Van Allen) :
L’élimination des débris spatiaux  … et dire que ceux-ci ont failli mettre fin à cette expérience !

En:
 

Spoiler:

As you all know, the technology tested on board of ESTCube-1 could be also possibly used to remove the space debris in the future (the plasma brake). So it really looks like the evil space junk is attacking our satellite on purpose to avoid the mankind to be able to get rid of it

 
Fr (GOOGLE traduction) :

Spoiler:

Comme vous le savez tous, la technologie testée à bord de ESTCube-1 pourrait aussi être éventuellement utilisé pour enlever les débris de l'espace dans le futur (le frein plasma). Donc, il ressemble vraiment du mal débris spatiaux est d'attaquer notre satellite sur le but d'éviter l'humanité à être capable de se débarrasser de lui

Je rouvre ce sujet pour faire le point.
Si CubeSat-1 communique toujours avec la Terre et continue  à prendre des photos, il n'y a aucune information sur l’expérience qui consistait à déployer le fil polarisé électriquement : l'expérience est-elle différée , en cours ou n'a-t-elle pu être réalisée ?

Toutefois une mission vers Uranus est proposé utilisant ce mode de propulsion :
New Form of Spacecraft Propulsion Proposed For Uranus Mission

A sa lecture, il semblerait aussi qu'un nouveau CubeSat est envisagé pour reprendre les tests.

One small satellite called ESTCube-1 is currently testing the idea and the European Union has an ongoing research project to test it further. Another Finnish satellite will test the principle in more detail this year but more work will surely be needed for a mission of this type.

 La première phrase dit que cette idée est actuellement testée ... mais je n'ai trouvé aucune information si le fil a été déployé et mis sous tension

Qu'en conclure sur les interrogations précédentes?

Il y a un an, était lancé ESTCube -1 .

Voici les dernières nouvelles :


http://www.estcube.eu/en/home

Picture of the day: Estonia, Latvia, Finland, Russia. What makes it special is the fact, that ESTCube-1 electomagnetic actuators had to be used to force the satellite to point its camera towards Estonia. 

Traduction brute …mais compréhensible !
Image du jour: l'Estonie, la Lettonie, la Finlande, la Russie. Qu'est-ce qui le rend spécial est le fait que ESTCube-1 actionneurs électromagnétiques devaient être utilisés pour forcer le satellite à pointer sa caméra vers l'Estonie.


Question que l'on peut se poser: à quoi correspond ces actionneurs électromagnétiques ?
S'agit-il justement de ce fil polarisé, ébauche de voile protonique qui serait utilisé ultérieurement pour des vols interplanétaires sous le souffle du vent solaire?

En fouillant les archives, j’ai retrouvé ces articles datant du 19 février  2014 au 18 avril 2014 qui explique pourquoi l’équipe de ESTCube tient à avancer avec précaution et donc lentement dans leurs expérimentations.

Progress on ESTCube-1 experiment

Ils préfèrent donc commencer par tester  leur capacité d’orienter le Cubesat à partir des actionneurs électromagnétiques qui sont sans doute ces bobines (coils) et des difficultés proviennent des boulons en matériau ferromagnétique tenant  une pile  (ferromagnetic bolts) … comme quoi il faut penser à tout  et à en tenir compte pour les prochains modèles !

For a while we've had suspicion that there is a strong magnetic disturbance inside the satellite and recent tests have confirmed this. The latest simulations suggest that disturbing magnetic moment is roughly 1.5 times the maximum output of the coils used for attitude control. Possible sources contributing to the issue are the ferromagnetic bolts holding the stack together and the battery casing.

Google Traduction :
Pendant un certain temps, nous avons eu des soupçons qu'il ya une forte perturbation magnétique à l'intérieur du satellite et tests récents ont confirmé. Les dernières simulations suggèrent que le moment magnétique inquiétant est d'environ 1,5 fois la puissance maximale des bobines utilisées pour le contrôle d'attitude. Les sources possibles contribuant à la question sont les boulons ferromagnétiques tenant la pile ensemble et le boîtier de la batterie.
 
En tout cas les dernières nouvelles sont encourageantes (voir post précédent)

Restera alors l’étape ultime : dérouler la longe polarisée servant de voile à vent solaire !
Ceci ne pourra être testé que lorsque la stabilisation du satellite évitera que cette longe s’entortille autour du corps central :
 

However, once reeled out, the tether is no longer meant to be reeled in. In theory, attitude control might cause the tether to wrap around the satellite. In order to avoid the hazard, it is planned to perform the secondary objective before the E-sail experiment.

Cependant, une fois déroulée, l'attache n'est plus destiné à être réenroulé . En théorie, le contrôle d'attitude peut entraîner l'attache à s’enrouler autour du satellite. Afin d'éviter le danger, il est prévu de réaliser l'objectif secondaire avant l'expérience E-voile.

Toujours difficile de tout prévoir en simulation. Il y a encore beaucoup de place pour l'imagination, l'intuition, le talonnement. Aventure humaine, intellectuelle,... réjouissante.  :up8:

Résurrection sujet...

Une suite est prévue à l'expérience ESTCube-1.
Un câble de 100m de long devrait être lancé cette année avec le Cubesat Aalto-1.
Article technique ici :
http://arxiv.org/pdf/1404.7430.pdf