Quelle est la taille maximale d'une fusée ?

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Elon Musk est un rêveur qui aime la science fiction ,
 au lieu de dire qu'un projet va se réaliser d'ici un siècle , 
 Il va dire  ans ,qu'il va se realiser d'ici 10 ans pour faire le buzz dans la presse et utiliser cette publicité pour vendre d'autres produits comme Tesla et autres .
Moi je reproche à Elon Musk de mentir sur les dates .j'ai arrêté de  croire aux dates qu'il donne .
noureddine2
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Je crois que "mentir" est un peu fort ....... il doit se fixer des objectifs qui souvent ne se réalisent pas .

l'objectif principal étant de tenir son public en haleine ,  accessoirement de lui vendre quelque chose pour faire entrer des sous.
Jean Paul CY
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Sauf que Musk a réussi, en 17 ans, à passer d'un hangar vide à la compagnie occidentale qui fait le plus de lancements !
Sans oublier le début des Starlink, bon d'accord c'est surtout ces équipes qui bossent, mais c'est quand même un sacré résultat.
Sans compter que le bonhomme nous tient en haleine avec son Starship qui est en passe de devenir un genre de Sea Dragon par ses possibilités et qu'il a déjà un projet plus gros dans les cartons .

Anovel
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@noureddine2 a écrit:Bonjour , je met le lien de cette discussion sur un projet de lanceur : Sea Dragon 
https://www.forum-conquete-spatiale.fr/t21330p25-sea-dragon-ou-le-lanceur-maximal-1962-que-serait-il-en-2020#467564

dans l'autre discussion j'ai ecrit ce message :
debut de citation :
(

https://fr.wikibooks.org/wiki/M%C3%A9thodes_de_propulsion_spatiale/Principes_fondamentaux_de_la_propulsion
ctation :
  la poussée.
On peut calculer la poussée délivrée à une fusée par la formule       
                      F = vg x qm + A1( P1 - Pa )
dans laquelle :
F, poussée en newtons (N)  .  
vg, vitesse d'éjection des gaz en m/s . 
qm, débit en kg/s
A1, aire de la section de sortie de la tuyère en mètres carré
P1, pression à la sortie de la tuyère en Pascal
Pa, pression ambiante ou pression à l'extérieur en Pascal  )

fin de citation
je suppose que pour augmenter la poussée d'une fusée , il nous reste encore le choix d'augmenter A1, aire de la section de sortie de la tuyère . et si on n'a pas cette information on va se contenter du diamètre de la fusée .
je vais faire un tableau de comparaison :
fusée                              diamètre (en m )          rayon au carré  ( en m2 )         poussée  au décollage ( en KN )            

ariane 5..................................................................................................................................................................

saturne 5..............................................................................................................................................................

falcon 9.................................................................................................................................................................

falcon heavy...........................................................................................................................................................

sea dragon ..........................................................................................................................................................

je suppose que le diamètre est proportionnel à la poussée donc masse au décollage 
je vais remplir ce tableau pour voir
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fusée                              diamètre (en m )          section 1er etage  ( en m2 )         masse  au décollage ( en tonne )       rapport masse/section ( en tonne/m2)
     

ariane 5......................   5,4           ........................    22,9      .......................................      750        .......................................           33     ..................

saturne 5...................   10,1          .......................       80,1          .................................      3038      ......................................         38        ..................

sea dragon ..............     22,8         .......................       408,1           ..............................       18 143 .......................................      44           ...................

je ne vois rien de spécial  pour m'aider à faire la prévision d'une fusée de masse 50 000 tonnes par exemple , 
je dois ajouter la hauteur pour spécifier les dimensions de cette fusée de masse au décollage de 50 000 tonnes .
et peut être je doit travailler aussi avec le volume .
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@ nouredinne2 : pour compléter ton tableau
 Ariane 5  : poussée au décollage de 12 MN à comparer à son poids de 7,5MN ( p= mg avec g=10 N/kg)
Saturne V  : poussée au décollage de 34 MN à comparer à son poids de 30 MN
 Sea dragon : poussée au décollage de 360 MN à comparer à son poids de 180 MN

Giwa
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@Giwa a écrit:
 Sea dragon : poussée au décollage de 360 MN à comparer à son poids de 180 MN
Merci , une erreur dans wikipédia m'a dérangé , il cite une poussée au décollage de 3 500 MN , ce qui m'a obligé de supprimer la Colonne de la poussée au décollage , merci . 
Peux tu me donner le lien de sea dragon qui contient la poussée de 360 MN ? Merci .
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@noureddine2 a écrit:
@Giwa a écrit:
 Sea dragon : poussée au décollage de 360 MN à comparer à son poids de 180 MN
Merci , une erreur dans wikipédia m'a dérangé , il cite une poussée au décollage de 3 500 MN , ce qui m'a obligé de supprimer la Colonne de la poussée au décollage , merci . 
Peux tu me donner le lien de sea dragon qui contient la poussée de 360 MN ? Merci .
Effectivement sur ce siteDragon des Mers il y a une incohérence sur le tableau à droite . Par contre dans le texte, on retrouve une valeur plus cohérente
Spoiler:
poussée de 36 700 tonnes (360 MN).

Pour vérifier cela , je suis parti sur le site anglophone Sea Dragon où on indique 350 MN...on reste dans l'ordre de grandeur acceptable.

Giwa
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@Giwa a écrit:

Effectivement sur ce siteDragon des Mers il y a une incohérence sur le tableau à droite . Par contre dans le texte, on retrouve une valeur plus cohérente
Spoiler:
poussée de 36 700 tonnes (360 MN).

Pour vérifier cela , je suis parti sur le site anglophone Sea Dragon où on indique 350 MN...on reste dans l'ordre de grandeur acceptable.
Merci , j'ai corrigé cette page wikipédia  , je ne dois plus faire confiance à cette wikipédia , il faut toujours revérifier leurs informations .
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https://www.forum-conquete-spatiale.fr/t21330p25-sea-dragon-ou-le-lanceur-maximal-1962-que-serait-il-en-2020#467672
je laisse le tableau après , tout d'abord je veux étudier la remarque de lambda0
citation :
Sans rentrer dans les détails techniques, c'est juste une question de loi d'échelle.
Une fusée homothétique d'un rapport 2 d'une Saturn V (par exemple), dont la propulsion serait formée en augmentant le nombre du même moteur que l'original ne quitterait pas le sol : la masse totale est multipliée par 8, alors que la poussée ne l'est que par 4, la densité de poussée étant constante.
Même avec un moteur unique, pour faire décoller une telle fusée il faudrait augmenter la densité de poussée, qui dépend de paramètres internes au moteur (pression, température,...), qui ont leurs limites.
Au final, ces limites déterminent la hauteur des fusée devant décoller de la Terre. Une fois atteinte cette hauteur limite, l'augmentation de capacité s'obtient en augmentant seulement le diamètre.
A vue de nez, je suspecte qu'il doit être assez difficile de dépasser 150-200 m.      )
fin de citation ,
 merci lambda0


donc la densité de poussée N/m2 va atteindre sa limite et devenir constante , 
donc la poussée va devenir proportionnelle uniquement à la section donc diamètre au carré  du 1er etage .
la poussée est supérieur à la masse de fusée , donc 
en multipliant la masse par 4 , on doit multiplier la poussée par 4 donc la section par 4 .donc le diamètre par 2 .
donc en multipliant le diamètre par 2 donc la poussée par 4 , on peut multiplier la masse par 4 .tout en laissant la hauteur constante .
par contre si on augmente la hauteur , et pour garder la même masse et volume , on doit diminuer la section du 1er etage , donc la poussée qui risque de devenir inférieur à la masse . donc pas de décollage .
donc je vais chercher l’équation de  la relation entre la hauteur la fusée et la section de la base inférieur de la fusée .
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fusée                              diamètre (en m )          section 1er etage  ( en m2 )       HAUTEUR (EN M )       rapport HAUTEUR/DIAMETRE 
     

ariane 5......................    5,4           ........................     22,9      .......................................      55          ..............................    10,18       ............

saturne 5...................   10,1          .......................       80,1          .................................      110,6      ...............................     10,9      ................

sea dragon ..............     22,8         .......................       408,1           ..............................       152,4     ...............................       6,68      .  ................



pour ariane 5 et saturn 5   :    la hauteur était      10 fois       plus grand que le diamètre .
pour sea dragon                :    la hauteur est        6 fois         plus grand que le diamètre .

on remarque que pendant  l'augmentation de la masse du fusée 
le diamètre varie plus rapidement que la hauteur  , 
un jour on va avoir une fusée qui ressemble à une pyramide avec  la hauteur est égale au diamètre .
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@noureddine2 a écrit:...
un jour on va avoir une fusée qui ressemble à une pyramide avec  la hauteur est égale au diamètre .

Tiens, ça me rappelle une série de SF avec des pyramides volantes ;)


Sur ce sujet de la forme générale des fusées, tu peux aller jeter un oeil à cette ancienne discussion :
https://www.forum-conquete-spatiale.fr/t12279p25-et-au-fait-le-diametre-de-la-fusee

A quelques exceptions près, on trouvait que sur une liste de lanceurs avec des ordre de grandeur de masse très différents, le rapport H/D était de l'ordre de 10, ce qui est assez remarquable compte tenu de tous les paramètres et contraintes de natures très différentes et sans liens entre eux.
Evidemment, à partir d'un monstre comme le "sea dragon", la "loi" commence à tomber en défaut, peut-être bien qu'on commence à taquiner une limite fondamentale de la hauteur.
lambda0
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Avant de se poser la question de la hauteur, qui correspond surtout à celle des réservoirs de propergols, on peut estimer le poids que pourrait porter un moteur-fusée .
En faisant un calcul grossier , on peut estimer cela a 40 t/m2 ( diamètre de 2 m et poussée de 1200 kN )
Après il faudrait tenir compte de la densité moyenne pondérée des ergols embarqués ( méthane liqu ide vers 0,4  et oxygène liquide vers 1,14), du poids des enveloppes , de l'écartement entre les moteurs, du fait du poids des étages supérieurs à supporter
Intuitivement, la limite pour la hauteur d'un premier étage ne doit pouvoir dépasser une cinquantaine de mètre .
Après la trajectoire s'incline et donc on peut accepter une densité de poussée plus faible.
peut-être qu'avec trois étages on peut atteindre 150 à 200 m de hauteur.

Giwa
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dans l'autre discussion sur le diametre de la fusée
https://www.forum-conquete-spatiale.fr/t12279-et-au-fait-le-diametre-de-la-fusee
je vois la remarque de Giwa
@Giwa a écrit:
Pour la réduire il faut réduire le maîre-couple de la fusée donc réduire son diamètre et l’allonger pour garder la même capacité.
Evidemment là encore il y a une  limite car ainsi on augmente la masse de la structure par rapport à celle des ergols.

Un autre critère intervient aussi celui de la stabilité et là attention aux idées préconçues : les formes les plus stables ne sont pas celles à large base - du moins après le décollage…car en cours de vol il n’ya plus de polygone de sustentation  et le critère qui intervient est le moment d’inertie   et des formes allongées ont des moments d’inertie plus importants - selon leur axe principal -, ce qui permet de les maintenir en équilibre dynamique plus facilement. Faites l’expérience :il est plus facile de maintenir sur un doigt une tige allongée qu’un bâton plus court .
Mais là encore il ne faut pas exagérer  car les réponses à vos rectifications deviennent de plus en plus lentes  et vous finirez par ne plus avoir le laps de temps nécessaire à redresser l’objet en équilibre.
Au fait qui tient le rôle du doigt pour une fusée : les tuyères orientables.
donc pour la stabilité de la fusée , le rapport ( hauteur / diamètre ) ne doit pas etre trop petit ,
 il est de 10 pour saturn 5 et va être de 6 pour sea dragon , 
pour regler ce problème de stabilité , il faut d'abord faire des test de stabilité avec de petits fusées dont le rapport (H/D) est inférieurs 6 ,
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Par exemple le starhopper ? Tout ceci n'est qu'histoire d'agilité de la tuyère. Il suffit de pouvoir ajuster rapidement le vecteur poussée pour permettre un faible ratio h/d.

J'avais vu il y a longtemps une vidéo d'une machine qui était capable de faire tenir un stylo en équilibre, tout ça parce qu'elle déplaçait sa base très rapidement avant qu'il ne tombe.

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Intéressant cette  discussion sur l'équilibre dynamique d'une fusée qui est primordial lors du retour.
A ce propos pour des lanceurs trapus à base large, on pourrait imaginer plutôt qu'un moteur-fusée central à poussée vectorielle,  trois moteurs-fusées périphériques aux sommets d'un triangle équilatéral (voire quatre selon un carré ou cinq selon un pentagone régulier ) qui maintiendraient l'équilibre par modulation de leurs poussées relatives. En effet la robotique permettrait un pilotage complexe, réactif et rapide  qui serait impossible pour un pilote humain.

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Et n'oublions pas les contraintes logistiques. Elles furent fatales au programme américain de booster solide de 260 inches de diamètre (environ 6,60m, soit le diamètre de la Saturn 1B), car pratiquement intransportables par chemin de fer. Sait-on que le diamètre des boosters SRB de la navette a été lui-même défini par la largeur des tunnels ferroviaires sous les Montagnes rocheuses ? Largeur elle-même définie en fonction de l'écartement des rails, lui-même défini par les fabricants de wagons anglais qui le tenaient des constructeurs de chariots qui eux-mêmes s'étaient inspirés des chariots romains qui eux-mêmes avaient pour base l'encombrement de deux chevaux trottant de front sans se gêner ? Bref le spatial américain dépend en partie des dimensions de l'arrière-train des chevaux !
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Quel dommage qu'ils n'aient pas eu des culs plus gros :D

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C'est bien pour résoudre ces contraintes de logistique lors du déplacement de ces lanceurs géants que SpaceX cherche à faire l'assemblage de ses Starship près des sites de lancement en s'inspirant des méthodes de construction des paquebots et des cargos géants des chantiers navals, ainsi que faire revenir les lanceurs sur les sites de lancement.
 Donc la récupération des lanceurs a alors un double objectif : la réutilisation certes, mais aussi le retour sur le site de lancement.

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En reprenant les données du post du vendredi 10 janvier du sujet Sea Dragon en l'appliquant pour une hauteur de 200 mètres, on obtiendrait un lanceur à quatre étages absolument gigantesque !
Lanceur de 30 550 tonnes comportant un premier étage de 18 000 tonnes,  un second de 12 000 tonnes, un troisième de 450 tonnes et un quatrième de 100 tonnes. 
Il faudrait une absolue nécessité de construire un tel lanceur et finalement un lanceur de 18 000 tonnes à trois étages pour 150 mètres de haut devrait être la taille maximale d'une fusée... celle justement qui correspond à celle du Sea Dragon.

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@Giwa a écrit:En reprenant les données du post du vendredi 10 janvier du sujet Sea Dragon en l'appliquant pour une hauteur de 200 mètres, on obtiendrait un lanceur à quatre étages absolument gigantesque !
Lanceur de 30 550 tonnes comportant un premier étage de 18 000 tonnes,  un second de 12 000 tonnes, un troisième de 450 tonnes et un quatrième de 100 tonnes. 
Il faudrait une absolue nécessité de construire un tel lanceur et finalement un lanceur de 18 000 tonnes à trois étages pour 150 mètres de haut devrait être la taille maximale d'une fusée... celle justement qui correspond à celle du Sea Dragon.
On peut comprendre la limite de la hauteur, car la hauteur n'a pas d'effet sur la poussée donc ne sert à rien .
Par contre le diamètre à un effet sur la poussée , le problème c'est qu'il faut régler le problème de la stabilité avec des rapport h/d inférieur à 6 .
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@Giwa a écrit:Intéressant cette  discussion sur l'équilibre dynamique d'une fusée qui est primordial lors du retour.
A ce propos pour des lanceurs trapus à base large, on pourrait imaginer plutôt qu'un moteur-fusée central à poussée vectorielle,  trois moteurs-fusées périphériques aux sommets d'un triangle équilatéral (voire quatre selon un carré ou cinq selon un pentagone régulier ) qui maintiendraient l'équilibre par modulation de leurs poussées relatives. En effet la robotique permettrait un pilotage complexe, réactif et rapide  qui serait impossible pour un pilote humain.

@noureddine2 a écrit:

On peut comprendre la limite de la hauteur, car la hauteur n'a pas d'effet sur la poussée donc ne sert à rien .
Par contre le diamètre à un effet sur la poussée , le problème c'est qu'il faut régler le problème de la stabilité avec des rapport h/d inférieur à 6 .
Effectivement avec un rapport h/d inférieur à 6, de nouveaux problèmes sont à résoudre.
Concernant la stabilité, en particulier pour la phase de récupération, il faut revoir la méthode de pilotage : plutôt qu'une poussée vectorielle centrale , il serait nécessaire d'utiliser plusieurs moteurs en périphérie dont les poussées seraient modulées . Bien, il faudrait pour commander cela, un autre type de logiciel que celui des premiers étages des F9 , serait nécessaire ; mais il n'y a aucune raison que ce soit impossible à mettre au point.

Un autre problème surgit pour la phase de décollage avec cette forme moins aérodynamique en particulier pour le Max Q qui obligerait à réduire l'accélération au départ - quitte à augmenter les pertes par gravité- à compenser par un largage de ce premier étage à une altitude mois élevée   - et donc à prévoir un second étage un peu plus puissant.

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En fait en y réfléchissant, il n'y a pas de limite théorique à la taille d'une fusée, mais seulement une limite pratique et raisonnable .
Un exemple qui illustre cela est celui du propulseur à poudre à enveloppe consommable et sans tuyère que Tsiolkovsky avait imaginé avant de intéresser à ceux à propergols liquides Le schéma qui suit montre que la section de base augmente exponentiellement en fonction de la hauteur :
Quelle est la taille maximale d'une fusée ? - Page 3 Propul10

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