la rétropropulsion supersonique

Bonjour à tous,
Suite aux dernières tentatives de récupération du premier étage de SpaceX, je me suis intéressé à la technique de la rétropropulsion supersonique (sujet inconnu de moi il y a encore une semaine, mais au combien passionnant! :shock: ).

Je n'ai pas découvert de fil de discussion à ce sujet. Je me propose donc d'en ouvrir un.

même si fatalement, le nom de SpaceX va revenir souvent car c'est les seuls à la tester en situation réelle, toutes les expériences de R&D menées sur ce sujet par d'autres acteurs (NASA, ESA, russes, chinois...) seront les bienvenues.

En simplifiant à l’extrême, la technique de rétropropulsion supersonique consiste à présenter durant la phase supersonique de l'entrée dans l’atmosphère un jet de réacteur contre le flot relatif supersonique de l'air, ce qui va étendre le plasma généré par la rentrée dans l’atmosphère, et au final augmenter le coefficient de freinage aérodynamique.

Comme une image vaut 100 mots, voici une tentative de clarification: (Soyez tolérant pour le schéma... )




Je me propose d'ici demain (ou les prochains jours :D )  de vous poster:
- un bref état des lieux de la R&D en cours avec les liens que j'ai pu trouver.
- les avantages/inconvénients/perspectives de cette technologie.
- et enfin mes questions... (s'il y a ici des personnes en mesure d'y répondre :ven:  et de préférence de manière simple)

P-S: si des personnes mieux informée que moi (c'est facile...) remarquent des erreurs, n’hésitez-pas à me rectifier!

[Je me réserve le droit de mettre à jour ce post pour rassembler toutes informations pertinentes au fur à mesure de ma recherche et des éventuelles remarques d'autres intervenants.
j'y ferais figurer la date de l'ajout ainsi que la source.]

état des lieux de la R&D sur la rétropropulsion:

Les recherches ont commencées dès 1950 avec des simulations réduites dans des tunnels à vent supersonique. Elles ont surtout été faites par la NASA par les travaux de E. Love et de W.Moeckel.

mais la difficulté à réaliser les tests (tunnels à vent supersonique) et l'absence de simulations informatiques fiables (au point du vue du modèle comme de la puissance requise) ont fait privilégier pour les sondes Viking et les capsules Apollo des solutions de type parachute supersonique, bouclier thermique et d'une descente propulsive pour la partie mode subsonique. Les capsules Soyouz, Apollo et les sondes martiennes restaient encore dans une gamme de poids suffisamment léger, rendant moins urgent le développement de solutions alternatives (rétropropulsion supersonique ou bouclier gonflable).

L’intérêt d'une rétropropulsion a refait surface que récemment, principalement grâce à des simulations informatiques plus proche de la réalité.
Cela a d'abord eu lieu dans le cadre d’études d’atterrissage de sondes martiennes de masse > 1 Tonnes. En effet, Curiosity représente la masse maximale que l'on peut faire atterrir avec un parachute et une descente terminale par propulsion.

Puis est venu SpaceX avec une intention d'effectuer une rentrée contrôlée de leur premier étage, puis sur un plus long terme, de pouvoir faire atterrir sur mars une charge utile supérieur à la tonne ( objectif affiché : 100 tonnes).

La NASA a de nouveau réalisé en 2010 des tests et des simulations de rétropropulsion supersonique et les ont partagés en "open-source".
Voici un lien sur ces expériences (attention, c'est long... et il est pas forcement intéressant de tout voir).
https://www.youtube.com/watch?v=i-coJg_vgxI

A ma connaissance, seul SpaceX réalise des tests en situation réelle.
Le but est de permettre une rentrée supersonique contrôlée pour:
- le retour de leur premier étage. Il se situe au niveau de l' "Entry Burn" et doit protéger au mieux les moteurs des dommages occasionnés par la rentrée atmosphérique (de mach 2 à mach 5)
- le retour de leur capsule Dragon V2. (J'ai moins de certitudes à ce niveau)
- une étude préliminaire est en cours pour une mission de retour d’échantillons de mars: le Red Dragon. La capsule utiliserait ses possibilités de rétropropulsion supersonique pour faire atterrir une charge utile de 2 Tonnes + la capsule avec une précision d’atterrissage de l'ordre du mètre.

Je n'ai pas connaissance de recherche en cours à l'ESA, ni pour la Russie ou la chine...

C'est un domaine brulant, en pleine expansion:
- Développement de modèle informatique fiable de la dynamique des fluides, demandant un aller-retour constant entre expérience et le modèle.
- Test de différentes géométries de jet(s): en particulier la géométrie des superdracos ( 4 jets doublés et excentrés)
- influence de la puissance des jets sur la stabilité.
- influence des composés chimiques des atmosphères planétaires (Terre <> Mars)
- étude de la manœuvrabilité dans cette phase.
- tests réel depuis moins d'un an

Pwiou.. :oops:  tres long post... et ce soir peut-etre la premier retour intact d'un engin en retropropulsion... :cheers:

Comme promis, je vais vous parler des avantages et des inconvénients...

Un corps pénétrant dans l’atmosphère peut être simplifié à son poids sur une surface frontale de pénétration.
Jusqu'à présent, on tente de maximiser la surface frontale: capsule de + de 10m, corps incliné (type navette ou IXV), parachutes (supersonique et/ou subsonique), bouclier thermique gonflables.
La rétropropulsion (en particulier supersonique, la composante la moins maitrisée) peut apporter de nouvelles solutions.



avantage N°1: lever les contraintes sur le bouclier thermique.

La chaleur provoquée lors d'une rentrée atmosphérique est principalement localisée au niveau de l'interface supersonique-subsonique.
le fait d’éloigner cette interface diminue les contraintes au niveau de la structure et du bouclier thermique.

On peut même envisager un cas limite où le bouclier n'est plus nécessaire (mais comme souvent, il y a là des compromis à faire :D ).
Cette propriété est utilisé par SpaceX pour le retour de son premier étage. mais il faut dire que la vitesse d'entrée n'est pas si grande (Mach2 à Mach5).
Reste à vérifier si les moteurs ne souffrent pas quand même un peu, exposés aux éléments tels qu'ils sont...

avantage N°2: une architecture plus simple qu'un bouclier thermique gonflable.

Si un bouclier thermique gonflable a d’indéniables avantages, il n'en reste pas moins une "pièce mobile" avec des risques de dysfonctionnement importants.
Il est de plus généralement largué dès que son office est rempli, rendant difficile une récupération en vue d'une réutilisation future.
Il peut être rassurant d'utiliser le même système pour toutes les phases de atterrissage, même si celui-ci n'est optimal pour aucune des phases...


avantage N°3: la possibilité d'avoir un meilleur contrôle de trajectoire.

La rétropropulsion à toutes les phases permet des trajectoires plus variées et de les optimiser au mieux.
J'ai encore du mal à savoir s'il vaut mieux rester longtemps dans l’atmosphère supérieure (maximiser le ralentissement aérodynamique) ou d'avoir une trajectoire la plus rapide ( et faire "plein gaz" pour passer le plus rapidement en subsonique)...
ça dépend surement du coefficient balistique, de l’atmosphère en question (mars ou terre), et de plein d'autres trucs dont je n'ai même pas conscience... :D


Mais avec tout ses avantages, est-ce pour autant la technologie Miracle?
Dans cette partie, je vais laisser l'atterrissage d'un premier étage de fusée ou il n'existe pas d'autres alternatives crédible, et je vais me concentrer sur l’atterrissage d'une capsule à vitesse cosmique (1ere ou 2nde) sur terre ou sur mars.

La rétropropulsion à toutes les phases n'est pas gratuite. La masse d'ergol nécessaire est, dans la majeure partie des scénarios, supérieur au poids d'un bouclier gonflable équivalent. l'ordre de grandeur que j'ai vu est x 10.
la rétropropulsion délivre dans tout les cas moins de charge utile qu'un bouclier gonflable.

Voici quelques graphiques qui l'illustre. les données concernent un atterrissage sur mars. IAD signifie inflatable aerodynamic decelerators (bouclier thermique gonflable en français)



Conclusion:

La rétropropulsion supersonique est une technologie clef pour la récupération d'un premier étage d'une fusée.
Pour l’atterrissage de charges lourdes, un bouclier thermique gonflable est plus pertinent d'un point de vue efficacité. (pour qu'un atterrissage entièrement propulsif soit compétitif, il faudrait un carburant miracle d'ISP > 650... :shock: ) Où est-ce que j'ai laisser trainer mes bombinettes?

Mais il ne faut pas oublier que ces deux technologies sont encore en cours d'études préliminaires, et que l'efficacité d'un système n'est pas la seule contrainte: sécurité, ré utilisabilité, tenue des matériaux rentrent également en ligne de compte...

J’espère qu'il n'y a pas de grosses erreurs...

bref comme d'habitude je me suis intéressé à la "technologie du futur" pour me rendre compte que certaines promesses seront tenues, mais que le reste sera affaire de compromis...

Maintenant que l'IXV a réussi, j'avoue que les corps portants sont bien sympa aussi.. :hermes:

On peut aussi combiner aussi bouclier thermique et rétropropulsion? surtout après la couche atmosphérique, la ou le moteur seras moins malmené?

LuckySan a écrit:pour qu'un atterrissage entièrement propulsif soit compétitif, il faudrait un carburant miracle d'ISP > 650... :shock:

J'imagine que tu ne parles que du cas terrestre là non ?
En tout cas sujet très intéressant, merci pour tes messages.

@Anthoemt: Le soucis c'est que par exemple pour la Falcon 9 de SpaceX, l'étage revient après avoir volé, donc pour caser un bouclier thermique sous les réacteurs qui fonctionnent juste avant ^^'.

anthoemt a écrit:On peut aussi combiner aussi bouclier thermique et rétropropulsion? surtout après la couche atmosphérique, la ou le moteur seras moins malmené?

deux choses:

- dans le cas d'un retour d'un premier étage, mettre un bouclier est compliqué. on espère que la rétropropulsion sera suffisante pour protéger les moteurs.

- dans le cas d'un atterrissage, je ne sais pas si le choix est exclusif.
un corps portant utilisant une rétropropulsion supersonique au moment optimum me semble l'avenir.
j'ai été impressionné par les 7000kms parcourus par IXV dans la haute atmosphère!
regarde cette image d'un IXV faisant de la rétropropulsion:


moi ça me fait rêver!
(ensuite je ne sais pas si c'est efficace...)

Space Opera a écrit:J'imagine que tu ne parles que du cas terrestre là non ?
En tout cas sujet très intéressant, merci pour tes messages.

non. j'ai surtout trouver des chiffres pour mars. (beaucoup plus de thèse la-dessus). mais il est plus facile d’atterrir sur terre que sur mars. si ça se trouve, pour la terre, la rétropropulsion est peut-être plus compétitive...
mais j’insiste... je n'y connais rien :blbl:

Je vous avais parlé de plusieurs questions... En voilà une... ;)

Le milieu où s'effectue la rétropropulsion est très changeant: la vitesse relative du vent supersonique, sa pression, l'angle d'incidence, etc...

Il me semble que, pour optimiser cette phase, il faut pouvoir faire varier la puissance du moteur de fusée.

Dans ma vision (très simplifié :oops: ) d'un moteur de fusée, le simple contrôle que l'on puisse avoir dessus est un "On/Off", (et pour la plupart, dès qu'on a appuyé sur Off, c'est terminé)

- est-ce bien vrai?
- peut-on concevoir un moteur-fusée avec une puissance variable (même s'il y a bien sur une puissance optimum)

P-S: si la réponse est complexe, vous pouvez me faire suivre des liens (en francais ou en anglais).

Jean-Pierre Petit approve this fil (++++) :megalol:

LuckySan a écrit:
- peut-on concevoir un moteur-fusée avec une puissance variable (même s'il y a bien sur une puissance optimum)

Le "deep power throttling" est maitrisé depuis pas mal d'années...:D

olarthym a écrit:Jean-Pierre Petit approve this fil (++++) :megalol:

Il n'est pas question de MHD dans ce fil que je sache... :suspect:

Henri a écrit:

LuckySan a écrit:
- peut-on concevoir un moteur-fusée avec une puissance variable (même s'il y a bien sur une puissance optimum)

Le "deep power throttling" est maitrisé depuis pas mal d'années...:D

olarthym a écrit:Jean-Pierre Petit approve this fil (++++) :megalol:

Il n'est pas question de MHD dans ce fil que je sache... :suspect:

l'esprit de la MHD et de la rétropropulsion est identique même si la technologie diffère: protéger la structure des ondes de choc

L'article de Braun et Manning de 2006 (NASA)  aborde le sujet de la propulsion supersonique pour la descente sur Mars (page 14 à 16). L'objectif est de pouvoir augmenter la masse déposée sur le sol martien en réduisant plus rapidement la vitesse (la faible épaisseur de l'atmosphère martienne ne permet pas de se reposer sur le freinage atmosphérique au dela d'une certaine masse).  Le recours à la propulsion n'est envisagé qu'une fois que la vitesse a chuté à moins de Mach 4.

Artcle de Braun et Manning

je me renseignerais sur le "deep power throttling" et je consulterais l'article de braun et manning.


Je vous remercie pour vos retours,

Le JPL se convertit à la rétropropulsion supersonique pour l'EDL martienne dans le cadre d'un papier titré "A Minimal Architecture for Human Journeys to Mars" :
http://online.liebertpub.com/doi/pdfplus/10.1089/space.2015.0018 (voir page 4 du PDF)

Finalement, c'est quand même toujours le bouclier qui fait le gros du travail, la rétropropulsion annule quelques centaines de m/s à l'arrivée, à partir de Mach 2.

lambda0 a écrit:Finalement, c'est quand même toujours le bouclier qui fait le gros du travail, la rétropropulsion annule quelques centaines de m/s à l'arrivée, à partir de Mach 2.

Et à la rigueur Mach 3 pour atterrir sur les zones les plus élevées de Mars. À noter qu'avec la définition du Mach -vitesse locale du son qui dépend de la composition de l'atmosphère et de sa température- Mach 3 correspond à une vitesse de l'ordre de 600-700 m/s à 10 km d'altitude dans l'atmosphère de Mars d'après le graphique de la figure 8 en page 5 du PDF...

Henri a écrit:Le JPL se convertit à la rétropropulsion supersonique pour l'EDL martienne dans le cadre d'un papier titré "A Minimal Architecture for Human Journeys to Mars" :
http://online.liebertpub.com/doi/pdfplus/10.1089/space.2015.0018 (voir page 4 du PDF)

On me l'avait passé il y a 15 jours, mais je n'ai pas eu le temps de le lire.
Je suis surpris de voir John Baker comme co-auteur, je pensais que c'était un roboticien pur jus du JPL.

A plus,
Argyre

Leur programme se décompose en trois missions d'objectifs croissants :

* a round trip to Mars orbit with a crew of four and a landing on Phobos; (2033)

* a one-month surface-stay mission with a crew of two on Mars (2039)

* a four-crew, one-year surface-stay mission.(2043)

Même si c'est présenté comme respectant les contraintes de budget ... il faudra probablement investir tout ce qui concerne le programme US de vol habité même si le planning de financement veut ménager la chèvre et le chou (ISS jusqu'en 2029 et "current programs") ?)

Comme le nom du sujet de discussion l'indique, il ne s’agissait pas dans mon post de lancer une discussion des particularités de projets martiens autres que l'usage de la rétropropulsion supersonique appliquée ici à l'EDL martienne. La discussion sur le reste de l'architecture du projet, les coûts, les délais, (voire la volonté politique) relèvent de fils de discussions idoines faciles à trouver sur le forum.
C'est bien pour cette raison que j'avais choisi ce fil de discussion.

Pour revenir à l'aspect technique de l'EDL par rétropropulsion supersonique dans l'atmosphère de Mars, j'ai trouvé sur les pages "éducation" du Glenn Research Center ce calculateur de la vitesse du son dans les atmosphères de la Terre et de Mars où l'on peut choisir son système d'unité (Impérial ou Métrique), l'altitude ou la température et la vitesse de déplacement de l'objet en m/s ou en Mach (histoire de convertir directement m/s en Mach ou l'inverse en fonction de l'altitude ou de la température).
https://www.grc.nasa.gov/www/K-12/airplane/sound.html
Pour faire fonctionner l'applet java en réglant les paramètres de sécurité de Java, suivre les instructions à ce lien :
https://www.grc.nasa.gov/www/K-12/airplane/javaset.html
(penser à quitter le navigateur et revenir sur le premier lien après avoir réglé ces paramètres)

À titre d'exemple, la vitesse du son à sur Mars à l'altitude zéro et à 0° Celsius est de 260 m/s, alors qu'à la même température et au niveau de la mer sur Terre, elle est de 331 m/s... On peut aussi voir que neutraliser une vélocité de Mach 2 à 10 000 m d'altitude nécessite un Delta-V de 474 m/s sur Mars et 599 m/s sur Terre.
Ceux qui ont entendu des plongeurs parler sous une cloche d'Hélium à grande profondeur ont été témoins du même phénomène mais en sens inverse (voix de Donald Duck) car la masse moléculaire de l'Hélium est beaucoup plus faible que celles du dioxygène et du diazote de l'air. ;)

(pour les anglophones)
petite vidéo d'une thèse sur la rétropropulsion supersonique:




Si la deuxième partie est relativement "pêchu", j'ai retenu plusieurs choses (que je partage pour ceux qui n'ont pas forcement 1 heure à consacrer à ce domaine :sleep: )

- l'avantage de la rétropropulsion supersonique se trouve dans la précision et la réactivité plutôt que l'efficacité
- les pertes gravitationnelles sont négligeables/acceptables.
- il faudrait optimiser les moteurs fusée pour un throttling profond
- le "paysage" des profils d'EDL sont encore largement inexplorés, ce qui pourrait amener des solutions surprenantes non envisagées pour l'instant.


Voilà,
une petit rafraichissement du sujet pour dire qu'il est très chaud en ce moment, surtout depuis la dernière réussite de SpaceX... :hot: