Quelle est la taille maximale d'une fusée ?

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 :

Giwa a écrit: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 :

Merci , peux tu me trouver un lien qui parle de ce schéma de fusée  ?  Merci .

noureddine2 a écrit:

Giwa a écrit: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 :

Merci , peux tu me trouver un lien qui parle de ce schéma de fusée  ?  Merci .

Malheureusement, j 'ai vu ce concept et l'image originale de Tsiolkovsky, il y a bien longtemps (peut-être dans un ancien Science et Vie traitant de l’Astronautique ) ... mais je n'arrive pas non plus à retrouver sa trace sur internet. Peut-être Tsiolkovsky avait publié cette idée lors de son roman "Sur la Lune" ?

C'est d'ailleurs sous cette forme qu'étaient présentées certaines fusées avant 1957

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La fusée N1 elle-aussi voit sa section décroître en fonction de la hauteur

Mais dans le cas d'une poudre dont l'ISP est plus faible, ce phénomène serait encore plus accentué , d'où la forme envisagée par Tsiolkovsky !
En tout cas son idée était géniale car finalement sa fusée à poudre monobloc pouvait aussi être considérée comme une fusée avec une infinité d'étages infinitésimaux !

Giwa a écrit:Malheureusement, j 'ai vu ce concept et l'image originale de Tsiolkovsky, il y a bien longtemps (peut-être dans un ancien Science et Vie traitant de l’Astronautique ) ...

Ce concept est de l'allemand Walter Hohmann, qui le publia en 1925. Hohmann est aussi connu pour ces calculs de trajectoire de freinage à l'approche des astres à atmosphère (dites courbes de Hohmann) A ma connaissance (du moins je ne l'ai jamais lu), Tsiolkovsky n'a pas travaillé sur une fusée à poudre avec enveloppe consommable.

Lunarjojo a écrit:

Giwa a écrit:Malheureusement, j 'ai vu ce concept et l'image originale de Tsiolkovsky, il y a bien longtemps (peut-être dans un ancien Science et Vie traitant de l’Astronautique ) ...

Ce concept est de l'allemand Walter Hohmann, qui le publia en 1925. Hohmann est aussi connu pour ces calculs de trajectoire de freinage à l'approche des astres à atmosphère (dites courbes de Hohmann) A ma connaissance (du moins je ne l'ai jamais lu), Tsiolkovsky n'a pas travaillé sur une fusée à poudre avec enveloppe consommable.

Effectivement ! En tout cas merci Lunarjojo    Maintenant je comprends mieux pourquoi en cherchant du côté de Tsiolkovsky, je n'arrivais pas à retrouver trace de cette image que j'avais gardé en mémoire.
 Certes dans les premiers temps, Tsiolkovsky s'était intéressé aux fusées à poudre avant de les abandonner assez rapidement pour les fusées à propergols liquides fournissant des vitesses d'éjection plus élevées et plus modulables en poussée.

En tout cas cette forme est instructive de l'allure (certes avec des discontinuités) que prendrait une fusée géante - même à propergols liquides - de taille de plus en plus grande si on multipliait les étages; la N1 commence à suivre cette variation de la section en fonction de la hauteur.

Schéma pour une fusée géante à quatre étages :

Accessoirement, il y a une charge utile ?
Parce que si avec cette section "exponentielle", le rapport Mu/M tend vers 0 (ce qui n'implique pas que Mu tend vers 0 !), le diable se cache peut-être ailleurs : une limite de Mu.

lambda0 a écrit:Accessoirement, il y a une charge utile ?
Parce que si avec cette section "exponentielle", le rapport Mu/M tend vers 0 (ce qui n'implique pas que Mu tend vers 0 !), le diable se cache peut-être ailleurs : une limite de Mu .

Ce raisonnement est celui où l'on fixe la masse totale M  et que l'on augmente le nombre d'étages pour accroître le delta V total.
Si par contre on se fixe le delta V total à obtenir et que l'on recherche à augmenter Mu en augmentant le nombre d'étages et en même  temps la masse totale M, la fusée devient de plus en plus large à la base exponentiellement  et donc gigantesque ... et là cela finit par devenir démentiel côté logistique ... un autre diablotin !

Sinon pour la hauteur de chaque étage , il y a bien une limite vers 40 à 70 m en fonction de la poussée surfacique en N/m² , du poids volumique pondéré des ergols et du poids des enveloppes des réservoirs et de la motorisation, comme tu nous l'avais indiqués.
Intéressant de remarquer que cette hauteur maximale pour chaque étage serait triplé sur Mars et sextuplé sur la Lune !

Une des réponses possible est un assemblage en "botte de crayons" comme ce qu'avait proposé l'OTRAG dans une époque lointaine.
Le problème de ce système c'est l'équilibrage de la poussée ! 
Mais bon la poudre c'est bien pour du stockage long, où pour des très fortes poussées sur un temps court malgré une impulsion spécifique plus faible que les ergols liquides (quoique les militaires aient des IP meilleures en incorporant des produits explosifs dans les poudres).

 OTRAG

Anovel a écrit:Une des réponses possible est un assemblage en "botte de crayons" comme ce qu'avait proposé l'OTRAG dans une époque lointaine.
Le problème de ce système c'est l'équilibrage de la poussée ! 
Mais bon la poudre c'est bien pour du stockage long, où pour des très fortes poussées sur un temps court malgré une impulsion spécifique plus faible que les ergols liquides (quoique les militaires aient des IP meilleures en incorporant des produits explosifs dans les poudres).

 OTRAG

une photo du lancement de l'OTRAG 10000


http://eurospace.free.fr/otrag.html
Ce montage en faisceau amène à réfléchir qu'il existe encore d'autres voies possibles que l'assemblage "classique" à étages .
Il faudra que l'on ouvre un sujet dédié sur les variétés d'assemblage en fuséologie.

Giwa a écrit:

Anovel a écrit:Une des réponses possible est un assemblage en "botte de crayons" comme ce qu'avait proposé l'OTRAG dans une époque lointaine.
Le problème de ce système c'est l'équilibrage de la poussée ! 
Mais bon la poudre c'est bien pour du stockage long, où pour des très fortes poussées sur un temps court malgré une impulsion spécifique plus faible que les ergols liquides (quoique les militaires aient des IP meilleures en incorporant des produits explosifs dans les poudres).

 OTRAG

une photo du lancement de l'OTRAG 10000


http://eurospace.free.fr/otrag.html
Ce montage en faisceau amène à réfléchir qu'il existe encore d'autres voies possibles que l'assemblage "classique" à étages .
Il faudra que l'on ouvre un sujet dédié sur les variétés d'assemblage en fuséologie.

Ah oui, ce beau projet OTRAG, innovant et audacieux, essayant avant SpaceX et consorts d'obtenir une franche baisse des coûts de mise en orbite, victime des pressions politiques à l'époque... :wall:
Si les tuyères sont orientables, il faut une très nette différence de poussée entre des groupes de moteurs éloignés les uns des autres(genre toutes les sorties de tuyères vers la droite sont à 100%, tandis que celles de gauche sont à 50%, ce qui est assez improbable) pour poser problème, non?

En ce qui concerne l'ajout d'explosifs pour augmenter l'ISP des propulseurs à ergols solides, j'ai déjà entendu ça mais je ne trouve pas vraiment d'infos concrètes la dessus...
Par contre, une petite recherche me confirme ce qu'il me semblait savoir:
- hydrogène (comprimé à 700 bars): 123 Mj/kg
- essence: 47,2 Mj/kg
- kérosène: 43 Mj/kg
- charbon: 24 Mj/kg
- bois : 16,2 Mj/kg
- TNT : 4,6 Mj/kg  (source: https://fr.wikipedia.org/wiki/Densit%C3%A9_d%27%C3%A9nergie)
Je veux donc bien qu'ils utilisent des explosifs plus puissants que le TNT dans leur carburant solide, mais je ne pense pas que les explosifs utilisés soient énormément plus performants que le TNT...
Une autre page wiki parle de RDX ou de HMX (seulement 1,7 fois plus puissant que le TNT!)
Donc vu à quel point un explosif contient peu d'énergie par rapport à un produit courant comme l'essence, j'ai du mal à croire que ça puisse améliorer sensiblement l'ISP...
A la rigueur, la grande force d'un explosif, c'est de dégager beaucoup d'énergie très rapidement, donc je veux bien que cela accroisse la poussée, mais ce serait au prix d'une vitesse de compustion accrue donc je ne vois pas bien comment cela pourrait améliorer l'ISP... :scratch: :???:

Giwa a écrit:

Anovel a écrit:Une des réponses possible est un assemblage en "botte de crayons" comme ce qu'avait proposé l'OTRAG dans une époque lointaine.
Le problème de ce système c'est l'équilibrage de la poussée ! 
Mais bon la poudre c'est bien pour du stockage long, où pour des très fortes poussées sur un temps court malgré une impulsion spécifique plus faible que les ergols liquides (quoique les militaires aient des IP meilleures en incorporant des produits explosifs dans les poudres).

 OTRAG

une photo du lancement de l'OTRAG 10000


http://eurospace.free.fr/otrag.html
Ce montage en faisceau amène à réfléchir qu'il existe encore d'autres voies possibles que l'assemblage "classique" à étages .
Il faudra que l'on ouvre un sujet dédié sur les variétés d'assemblage en fuséologie.

Cette image est un affreux montage. On reconnait le pas de tir 14 de Cape Canaveral à l'époque des Mercury-Atlas...

BBspace a écrit:

Giwa a écrit:
une photo du lancement de l'OTRAG 10000


http://eurospace.free.fr/otrag.html
Ce montage en faisceau amène à réfléchir qu'il existe encore d'autres voies possibles que l'assemblage "classique" à étages .
Il faudra que l'on ouvre un sujet dédié sur les variétés d'assemblage en fuséologie.

Cette image est un affreux montage. On reconnait le pas de tir 14 de Cape Canaveral à l'époque des Mercury-Atlas...

Effectivement, c'est plutôt curieux puisque ce lancement du polygone de Kiruna fut un échec

Roch a écrit:

Giwa a écrit:
une photo du lancement de l'OTRAG 10000


http://eurospace.free.fr/otrag.html
Ce montage en faisceau amène à réfléchir qu'il existe encore d'autres voies possibles que l'assemblage "classique" à étages .
Il faudra que l'on ouvre un sujet dédié sur les variétés d'assemblage en fuséologie.

Ah oui, ce beau projet OTRAG, innovant et audacieux, essayant avant SpaceX et consorts d'obtenir une franche baisse des coûts de mise en orbite, victime des pressions politiques à l'époque... :wall:
Si les tuyères sont orientables, il faut une très nette différence de poussée entre des groupes de moteurs éloignés les uns des autres(genre toutes les sorties de tuyères vers la droite sont à 100%, tandis que celles de gauche sont à 50%, ce qui est assez improbable) pour poser problème, non?

En ce qui concerne l'ajout d'explosifs pour augmenter l'ISP des propulseurs à ergols solides, j'ai déjà entendu ça mais je ne trouve pas vraiment d'infos concrètes la dessus...
Par contre, une petite recherche me confirme ce qu'il me semblait savoir:
- hydrogène (comprimé à 700 bars): 123 Mj/kg
- essence: 47,2 Mj/kg
- kérosène: 43 Mj/kg
- charbon: 24 Mj/kg
- bois : 16,2 Mj/kg
- TNT : 4,6 Mj/kg  (source: https://fr.wikipedia.org/wiki/Densit%C3%A9_d%27%C3%A9nergie)
Je veux donc bien qu'ils utilisent des explosifs plus puissants que le TNT dans leur carburant solide, mais je ne pense pas que les explosifs utilisés soient énormément plus performants que le TNT...
Une autre page wiki parle de RDX ou de HMX (seulement 1,7 fois plus puissant que le TNT!)
Donc vu à quel point un explosif contient peu d'énergie par rapport à un produit courant comme l'essence, j'ai du mal à croire que ça puisse améliorer sensiblement l'ISP...
A la rigueur, la grande force d'un explosif, c'est de dégager beaucoup d'énergie très rapidement, donc je veux bien que cela accroisse la poussée, mais ce serait au prix d'une vitesse de compustion accrue donc je ne vois pas bien comment cela pourrait améliorer l'ISP... :scratch: :???:

les chiffre données ne prennent pas en compte l’oxygène nécessaire a la combustion. Il faut donc divise par 9 l'efficacité de l’hydrogène (on arrive a environ 15), et environ 4 pour le kérosène. Les explosif sont anaérobie (sauf peut être le RDX, de mémoire il est un peu bizarre). Ça reste supérieur au reste de la poudre utilisé. Je sais que du propergol avec des charges de HMX est régulièrement testé et probablement utilisé (je crois qu'il y en a sur les kill vehicle des SM-3) et j'ai étendu parlé d'essai a l'octanitrocubane (un explosif bien puissant mais peu utilisé)

Pour reprendre le montage tubulaire en faisceau, il permet de réduire le nombre total de moteurs-fusées par rapport à un montage à étages. En effet dans un montage à étages, les moteurs de l’étage de base doivent supporter au départ le poids de l'ensemble (les moteurs des étages supérieurs ne  fonctionnant pas à ce moment)
Avec un montage en faisceau selon le schéma ci-dessous où les étages sont largués - après épuisement des propergols - de la périphérie vers le centre, certes le poids des étages centraux est supérieur à leur poussée, mais ils contribuent quand même à la poussée totale  et les étages aux extrémités plus légers assurent une différence positive entre poussée et poids. Ensuite les réservoirs se vidant, cette différence devient aussi positive pour les étages centraux. 
Bien sûr, il y a quand même l'inconvénient du poids plus important des réservoirs centraux et aussi la motorisation non optimisée en fonction de la pression atmosphérique à moins d'utiliser des aéro-spikes.

Pour compléter le message précédent, les moteurs-fusées devant travailler sous une pression atmosphérique décroissant avec l’altitude, si l'aéro-spike est une solution possible , reste que cette solution est assez difficile à mettre en oeuvre.
Alors une autre méthode consisterait à des tuyères de taille de plus en plus grande de la périphérie vers le corps central puisque celui-ci doit travailler en moyenne sous des pressions atmosphériques plus faibles . Certes c'est un compromis qui n'est pas l'idéal, mais c'est plus facile à réaliser que les aéro-spikes. 

Il y aussi la possibilité de faire un montage mixte en faisceaux et à étages . L'inconvénient, c'est que cet assemblage en parallèle et en série  est plus complexe, mais permet d'éviter que le poids à vide des réservoirs centraux devienne plus grand que celui de l'ajout de nouveaux moteurs sur des étages supérieurs.

Surpris d'imaginer qu'alors cette fusée se mettrait à ressembler à une Tour Eiffel volante !  :o
... Enfin on peut l'expliquer puisque la section de base des étages décroîtrait exponentiellement en fonction de la hauteur... comme la Tour Eiffel !

Ce dessin de Giwa ressemble un peu à cette fusée (UR 700) étudiée par les Russes dans les années 1960 pour aller sur la Lune. J'ignore ses caractéristiques mais si Nicolas passe dans le coin....

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l'OTRAG était une aberration technique, avec plein de petit réservoir indépendant , l'indice structurelle (rapport masse a vide/masse ergol) est bien plus élevé qu'avec une seul réservoir plus grand. il y a juste a regardé le montage de l'OTRAG 10 000 pour se rendre compère qu'il y a plein de paroi partout a lieu d'en avoir une seul qui englobe le tout. Par contre économiquement cette architecture a du sens car permet la production en série d’élément simple. 

l’illustration de GIWA est interesente car permet de se débarrasse au fur et a mesure de la masse moteur et d'une partie de la masse réservoir. le problème c'est qu'au moment ou les fagot exterieur se detache , une partie des réservoirs  des fagot centraux sont vide et constitue donc une masse morte qui affecte les performance. 

le timing de l'arrivé de l'UR700 dans le débat et parfait car permet de parlé de cross-feed. Avez vous remarqué qu'il y a 3 réservoir dans les fagots extérieure d'UR700? il y a le réservoir de carburant et celui de comburant destiné a alimenté le moteur du fagot mais aussi un réservoir de comburant ou carburant (alternativement avec le fagot voisin) destiné a alimenté le moteur du fagot central qui lui n'a pas besoin de piocher dans ses réservoir. au moment ou les fagot extérieur se détache, la fusée reste parfaitement optimisé avec une puissance moteur adapté et des réservoirs plein comme si elle sortait du pas de tir.

phenix a écrit:l'OTRAG était une aberration technique, avec plein de petit réservoir indépendant , l'indice structurelle (rapport masse a vide/masse ergol) est bien plus élevé qu'avec une seul réservoir plus grand. il y a juste a regardé le montage de l'OTRAG 10 000 pour se rendre compère qu'il y a plein de paroi partout a lieu d'en avoir une seul qui englobe le tout. Par contre économiquement cette architecture a du sens car permet la production en série d’élément simple. 

l’illustration de GIWA est interesente car permet de se débarrasse au fur et a mesure de la masse moteur et d'une partie de la masse réservoir. le problème c'est qu'au moment ou les fagot exterieur se detache , une partie des réservoirs  des fagot centraux sont vide et constitue donc une masse morte qui affecte les performance. 

le timing de l'arrivé de l'UR700 dans le débat et parfait car permet de parlé de cross-feed. Avez vous remarqué qu'il y a 3 réservoir dans les fagots extérieure d'UR700? il y a le réservoir de carburant et celui de comburant destiné a alimenté le moteur du fagot mais aussi un réservoir de comburant ou carburant (alternativement avec le fagot voisin) destiné a alimenté le moteur du fagot central qui lui n'a pas besoin de piocher dans ses réservoir. au moment ou les fagot extérieur se détache, la fusée reste parfaitement optimisé avec une puissance moteur adapté et des réservoirs plein comme si elle sortait du pas de tir.

Effectivement cette technique du cross-feed, que j'ai souligné, est un moyen de résoudre ce problème du poids mort des réservoir à moitié vide .
D'ailleurs cela avait été envisagé par SpaceX au début de l'élaboration de la Super Heavy ... mais abandonné ensuite - pas que ce soit impossible - , mais trop long à mettre au point avec le risque d'être rattraper par les concurrents .

Pour reprendre un message plus haut, il existe des explosifs plus efficaces à masse égale que la TNT. Il s'agit des explosifs nucléaires. Comme la majorité du carburant d'une fusée est utilisé pour amener plus de carburant plus haut pour l'utiliser, on peut imaginer une propulsion chimique jusqu'à 90 km, puis une propulsion pulsée (petite masse comparée à celle d'un étage chimique) à partir de là.

Techniquement, c'est ok, et ce n'est pas dangereux. Les techniciens de la NASA avaient rédigé un dossier là-dessus (une Saturn V à moitié nucléaire, avec des bombes à fission, aujourd'hui, on a mieux, on a des bombes à fusion plus légères) , et ça marchait. Ils parlaient même de fusées post Saturn V. Des monstres en l’occurrence (la moitié de la tour Eiffel en hauteur) . Mais politiquement, c'est la mort.

phenix a écrit:
les chiffre données ne prennent pas en compte l’oxygène nécessaire a la combustion. Il faut donc divise par 9 l'efficacité de l’hydrogène (on arrive a environ 15), et environ 4 pour le kérosène. Les explosif sont anaérobie (sauf peut être le RDX, de mémoire il est un peu bizarre). Ça reste supérieur au reste de la poudre utilisé. Je sais que du propergol avec des charges de HMX est régulièrement testé et probablement utilisé (je crois qu'il y en a sur les kill vehicle des SM-3) et j'ai étendu parlé d'essai a l'octanitrocubane (un explosif bien puissant mais peu utilisé)

Pseudo a écrit:Pour reprendre un message plus haut, il existe des explosifs plus efficaces à masse égale que la TNT. Il s'agit des explosifs nucléaires. Comme la majorité du carburant d'une fusée est utilisé pour amener plus de carburant plus haut pour l'utiliser, on peut imaginer une propulsion chimique jusqu'à 90 km, puis une propulsion pulsée (petite masse comparée à celle d'un étage chimique) à partir de là.

Techniquement, c'est ok, et ce n'est pas dangereux. Les techniciens de la NASA avaient rédigé un dossier là-dessus (une Saturn V à moitié nucléaire, avec des bombes à fission, aujourd'hui, on a mieux, on a des bombes à fusion plus légères) , et ça marchait. Ils parlaient même de fusées post Saturn V. Des monstres en l’occurrence (la moitié de la tour Eiffel en hauteur) . Mais politiquement, c'est la mort.

Ce que propose phénix d'utiliser en attendant des explosifs chimiques super-puissants me parait intéressant . En particulier cet octanitrocubane   
serait  le nec plus ultra 

sa vélocité explosive atteint la vitesse également record en 2014 de 10 100 m/s 

D'accord il y a son prix : 40 000 $/kg  !
Mais bon, si la demande suit, on pourrait peut-être améliorer sa synthèse et la rendre plus économique car les atomes de ses molécules n'ont rien de rare !