Propulsion Laser Thermique (LTP)

Bonjour,

En 2018, la NASA a mis les ingénieurs au défi de concevoir une mission vers Mars qui délivrerait une charge utile d'au moins 1 000 kilogrammes en 45 jours maximum, ainsi que des voyages plus rapides vers le système solaire interne ou externe.

Une équipe de l'université McGill à Montréal vient d'y apporter une réponse.
Elle propose d'avoir recours à un laser émis depuis la Terre pour chauffer le fluide propulsif d'un engin spatial.
Elle appelle ce concept propulsion laser thermique ou LTP (pour Laser Thermal Propulsion).

C'est le site phys.org (https://phys.org/) qui relaie cette information:
https://phys.org/news/2022-02-laser-mars.html
La publication de l'équipe peut être téléchargée ici (une vingtaine de pages):
https://www.researchgate.net/publication/357553420_Design_of_a_rapid_transit_to_Mars_mission_using_laser-thermal_propulsion

De quoi s'agit-il:

• Un émetteur laser d'une dizaine de mètres de diamètres et d'une puissance de 100 MW est installé au sol.
  
• La technologie actuelle permet de cibler un objectif jusqu'à 50 000 km de distance.
  
• Les durées de phases propulsives iraient de plusieurs minutes à une heure. Il n'y a donc pas besoin de construire plusieurs stations au sol, une seule suffirait.
  

Voici à quoi pourrait ressembler pareil engin:



Le concept d'emploi pour une mission martienne serait le suivant:

• Le système de propulsion et la charge utile seraient lancés via un lanceur type Falcon 9 ou Atlas.
  
• L'ensemble serait placé sur une orbite elliptique avec un apogée au-delà des ceintures de Van Allen (500 X 13 000 km).
  
• Une telle orbite permettrait à l'appareil de rester dans la ligne de visée du laser pendant plus d'une heure.
  
• Le laser est activé, et le fluide propulsif (de l'hydrogène) est chauffé. Le principe de fonctionnement est identique à celui d'un moteur nucléaire thermique, le laser se substituant au réacteur.
  
• A l'issue de la phase propulsive, la charge utile est injectée sur son orbite de transfert. Puis, le laser est réactivé pour permettre au propulseur d'effectuer une manœuvre de retour. L'appareil s'apparenterait donc à un remorqueur dans son principe.
  
• Une fois de retour sur son orbite elliptique, l'engin peut être ravitaillé et réemployé.
  
• La charge utile serait ralentie à destination par aérofreinage.
  

Voici le concept de mission:



Et la trajectoire type qui serait suivie:



L'objectif est de pouvoir rejoindre Mars en 45 jours.
Plusieurs profils de mission sont possibles:



La performance du moteur serait de l'ordre de 3 000 s d'ISP.
C'est-à-dire qu'il serait comparable à un moteur nucléaire thermique à cœur gazeux.
Pour atteindre une telle performance, des températures de 30 à 40 000 K seraient atteintes au cœur du plasma d'hydrogène, au point focal du laser.

Le schéma de fonctionnement est le suivant:



Bien sûr, l'équipe de McGill s'est aussi attaquée au problème de la protection thermique du moteur.
Pour ce faire, elle combinerait les technologies de refroidissement régénératif et par transpiration selon le principe suivant:



Un moteur aussi performant pourrait également permettre d'accéder aux endroits lointains du système solaire beaucoup plus rapidement.
Par exemple, une injection directe sur une orbite de Hohman vers Jupiter serait possible.

Le coût de développement serait-il abordable ?
Ca donne de l'espoir de rendre un peu plus accessible les différentes planètes du système solaire.

Cela reprend le projet Starshot voir le forum:

https://www.forum-conquete-spatiale.fr/t20990-projet-breakthrough-starshot

Anovel a écrit:Cela reprend le projet Starshot voir le forum:

https://www.forum-conquete-spatiale.fr/t20990-projet-breakthrough-starshot

Pas tout à fait non plus dans la mesure où ici on vaporise un ergol qu'on détend dans une tuyère. Pour starshot ce n'est "que" via l'utilisation d'une voile/réflecteur, ce qui est moins complexe. Par contre pour la partie laser effectivement c'est commun 

Anovel a écrit:Cela reprend le projet Starshot voir le forum:

https://www.forum-conquete-spatiale.fr/t20990-projet-breakthrough-starshot

Non.
Le Starshot utilise un laser pour propulser une voile photonique. Il n'a pas non plus la paternité de l'idée de l'emploi d'un laser ou de tout autre faisceau d'énergie dirigée.
C'est une voile solaire 2.0 devant propulser un micro-engin de quelques grammes à 20% de la vitesse lumière vers Alpha du Centaure.

Là, ça s'apparente à une propulsion nucléaire thermique, mais sans le réacteur.
Il n'y a aucune voile, mais un réflecteur réduit renvoyant le laser au cœur du moteur-fusée.
Un fluide propulsif en est éjecté.

Les charges utiles peuvent être ici de plusieurs dizaines de tonnes et la vitesse maximum de l'ordre de 17 km/s (très loin de 0,2c).

Ils n'ont que le laser en commun.

Vu.
Dans le principe, c'est intéressant, le système peut bien profiter des progrès sur les matrices de diodes LASER, et aussi sur l'optique adaptative pour compenser l'atmosphère,le diamètre de 10 m est l'ordre de grandeur des grands téléscopes actuels.
Ça ne marche que pour le vol aller évidemment, tant qu'il n'y a pas de système équivalent sur Mars, mais il faut bien commencer quelque part.
Remarque : potentiellement, ce LASER est aussi une arme

100 MW le laser, on approche de la deathstar !
Le concept semble vraiment prometteur.
Si on veut le pousser plus loin, on envisage de mettre le laser directement en orbite. Cela aurait plusieurs avantages :
- pas de perturbations (donc pertes) dues à l'atmosphère
- en conséquence, portée plus lointaine et plus précise
- durée de pointage vers le satellite beaucoup plus longue 

en conséquence : 
- possibilité de réduire la puissance nécessaire du laser
- possibilité d'alimenter des vaisseaux lointains (jusqu'à Mars, pour assurer un retour?)
- possibilité d'assurer une partie du travail normalement assuré par le dernier étage d'un lanceur

100MW en surface de panneaux solaires, cela correspond à environ 200 000 m2, soit 400m * 500m. C'est beaucoup, mais comme dit avant, je pense qu'on pourrait se contenter de beaucoup moins grâce à une durée d'utilisation plus longue.

Je suis sûr qu'il y a moyen de faire financer le projet par les militaires...

taolanglais a écrit:100 MW le laser, on approche de la deathstar !

Alderaan n'a qu'à bien se tenir!

taolanglais a écrit:Le concept semble vraiment prometteur.
Si on veut le pousser plus loin, on envisage de mettre le laser directement en orbite.

C'est vrai à terme, mais ça nécessiterait la construction d'une infrastructure orbitale assez imposante.
L'avantage que je vois dans l'immédiat, c'est qu'il ne nécessite qu'un lanceur type F9, c'est-à-dire déjà existant.
Mais ça, c'est pour une CU d'une seule tonne à destination de Mars.
Pour 40 tonnes, il faudrait 4 000 MW, soit 8 millions de m² en reprenant vos calculs. Ou 2 km par 4. 
A mon avis, à une telle échelle, mieux vaut passer au réacteur nucléaire.

taolanglais a écrit:Je suis sûr qu'il y a moyen de faire financer le projet par les militaires...
 

Ah là là! Cette propension à prendre les militaires pour des vaches à lait    

Choros a écrit:Mais ça, c'est pour une CU d'une seule tonne à destination de Mars.
Pour 40 tonnes, il faudrait 4 000 MW, soit 8 millions de m² en reprenant vos calculs. Ou 2 km par 4. 
A mon avis, à une telle échelle, mieux vaut passer au réacteur nucléaire.

Je n'ai pas compris cela comme ça ; le cahier des charges initial était d'envoyer une CU d'une tonne vers Mars en 45j, soit avec un DeltaV démentiel ; d'ailleurs je n'en vois pas trop l'intérêt, aller vite sert pour le vol habité, 1 tonne est insuffisant pour de l'habité. Mais si on fait sauter cette contrainte, on peut au choix soit réduite la puissance du laser, soit envoyer une CU beaucoup plus grosse . Puissance qu'on peut réduire d'autant plus qu'on n'est pas pressé.

Ce serrait vraiment le chaînon manquant entre la propulsion chimique classique, forte puissance mais faible ISP, et la propulsion ionique, très forte ISP mais puissance ridicule qui interdit certains domaines de vol.

Pour les militaires, c'est les Prim'Holstein des vaches à lait, d'autant que là ils auront vite compris leur intérêt !

[mod]Correction d'une citation (quote) cassée.
Henri[/mod]

taolanglais a écrit:Je n'ai pas compris cela comme ça ; le cahier des charges initial était d'envoyer une CU d'une tonne vers Mars en 45j, soit avec un DeltaV démentiel ; d'ailleurs je n'en vois pas trop l'intérêt, aller vite sert pour le vol habité, 1 tonne est insuffisant pour de l'habité. Mais si on fait sauter cette contrainte, on peut au choix soit réduite la puissance du laser, soit envoyer une CU beaucoup plus grosse . Puissance qu'on peut réduire d'autant plus qu'on n'est pas pressé.

Ce serrait vraiment le chaînon manquant entre la propulsion chimique classique, forte puissance mais faible ISP, et la propulsion ionique, très forte ISP mais puissance ridicule qui interdit certains domaines de vol.

1 tonne, c'est suffisant pour une démonstration technologique, étape qui me parait essentielle avant d'envisager des systèmes plus puissants.
En ce qui concerne la puissance nécessaire par rapport au tonnage de la CU, les chiffres viennent de ce tableau de leur étude:



Sinon, je suis d'accord avec vous. 
C'est très prometteur et ouvre pas mal de portes.
A condition que quelqu'un veuille bien ouvrir son porte-monnaie…

taolanglais a écrit:Pour les militaires, c'est les Prim'Holstein des vaches à lait, d'autant que là ils auront vite compris leur intérêt !

Aux USA, sans doute. Par ici, la vache n'a que la peau sur les os…

Une solution pour le futur, c'est de s'installer sur la Lune  pour avoir à la fois un support stable et une visée parfaite sans atmosphère, sans compter qu'il ne manque pas de place là-haut !

Sauf que sur la lune, cela interdit un fonctionnement la moitié de temps, plus le problème de la nuit lunaire à gérer. Le mieux serait une orbite terrestre heliosynchrone: toujours exposé au soleil, très souvent exposé au système extérieur.

taolanglais a écrit:Sauf que sur la lune, cela interdit un fonctionnement la moitié de temps, plus le problème de la nuit lunaire à gérer. Le mieux serait une orbite terrestre heliosynchrone: toujours exposé au soleil, très souvent exposé au système extérieur.

Sauf aux pôles peut être?

Bah oui, mais autant dire que les endroits convenables aux pôles se comptent sur les doigts de la main: les sommets de flancs de cratères se trouvant exactement aux pôles. Des endroits bien escarpés. En plus, la Lune est inclinée comme la terre par rapport à l'écliptique, mais dans une moindre mesure. (5,4°) Donc il y a aussi un hiver Lunaire.
Mais surtout, le coût d'acheminer tout le nécessaire jusqu'à la Lune serait bien plus grand que simplement une orbite terrestre. Son exploitation, sa maintenance aussi. Pour un intérêt au final incertain (la stabilité du sol lunaire est-elle requise?)

Effectivement cette propulsion thermique par laser est le chaînon manquant entre la propulsion à forte poussée, mais forte consommation de propulsifs suite à leur plus faible faible vitesse d’éjection et les moteurs ioniques à très grande vitesse d’éjection, mais faible poussée. Si la poussée reste insuffisante pour s’arracher à la gravité à proximité des astres-une fois en orbite- ce type de propulsion peut s’avérer très interessant pour réduire la durée des voyages interplanétaires . Parmi les problèmes à gérer pour ce type de propulsion,en dehors de l’énergie et des lasers, il y aura celui du propulsif- le dihydrogène à acheminer en orbite .

Henri a écrit:

J'ai survolé leur papier, deux points me paraissent critiques :

• la tenue thermique de la "canopy" - fenêtre d'entrée du faisceau laser dans la chambre du réacteur
  
• le pilotage du miroir principal (surtout s'il est gonflable) pour s'assurer de ne pas la louper sous peine d'un joli feu d'artifice
  

Et une question : en page 10, 2e colonne, il est question d'un doublement de 90 à 180 MW du flux reçu par cette fenêtre d'entrée (flux direct non-concentré du laser et flux réfléchi et concentré par le miroir fixé lui à 90 MW), or du point de vue de la géométrie de l'ensemble du setup, le premier flux devrait être beaucoup moins important que le second...
⁣

 Oui, tu as raison, pas mal de points critiques.
 A propos du flux: il semble que la "canopy"  désigne la membrane transparente du réflecteur, pas la fenêtre d'entrée dans la chambre du réacteur.
 La "puissance incidente effective" qui est doublée serait donc celle qui traverse cette membrane, dans les deux sens (il est vrai que c'est un peu ambigu).

Si on rentre dans le détail, il y a de toute façon bien d'autres points critiques à traiter. Comme, par exemple, de faire traverser toute l'atmosphère sans déformations à un faisceau LASER produisant un éclairement supérieur à 1000 soleils au départ (bonjour les turbulences avec l'échauffement, la correction adaptative a intérêt à être performante).

Pour ceux que cela intéressent, il existe un excellent roman de SF sur le sujet de la propulsion laser.
Le vol de la libellule
C'est une mission habitée et sans retour, à destination de l'étoile de Barnard.

taolanglais a écrit:Bah oui, mais autant dire que les endroits convenables aux pôles se comptent sur les doigts de la main: les sommets de flancs de cratères se trouvant exactement aux pôles. Des endroits bien escarpés. En plus, la Lune est inclinée comme la terre par rapport à l'écliptique, mais dans une moindre mesure. (5,4°) Donc il y a aussi un hiver Lunaire.
Mais surtout, le coût d'acheminer tout le nécessaire jusqu'à la Lune serait bien plus grand que simplement une orbite terrestre. Son exploitation, sa maintenance aussi. Pour un intérêt au final incertain (la stabilité du sol lunaire est-elle requise?)

La techno du laser array prise comme exemple est développée par le professeur Lubin à UC Santa Barbara. Les premiers exemplaires seront certainement à usage militaires, celui ci pourrait être construit dans les zones de test interdites de survol dans le Nevada, alimenté par une centrale nucléaire. L'utilisation pendant quelques heures par an pour faire la fronde de cargo vers Mars ne serait qu'une utilisation marginale. 
Ce pourrait être un super incinérateur à déchets orbitaux

Totof a écrit:Ce pourrait être un super incinérateur à déchets orbitaux

Et aussi un super incinérateur à satellites "indésirables" si sous contrôle militaire