Aérostat à vide pour missions martiennes, vénusiennes et titaniennes !

En d'autres temps, le Graf Zeppelin gonflé à hydrogène a quand même fait le tour du monde, en une douzaine de jours, et parcouru presque 50000 km, les fuites ne doivent pas être si rédhibitoires.

lambda0 a écrit:En d'autres temps, le Graf Zeppelin gonflé à hydrogène a quand même fait le tour du monde, en une douzaine de jours, et parcouru presque 50000 km, les fuites ne doivent pas être si rédhibitoires.

Merci de nous rappeler cet exploit historique du Graf Zeppelin commencé le 8 août 1929 et qui boucla son tour du monde le 29 août. Ce ne fut pas tout de même un vol sans escale car si le temps en l’air fut de 12 jours et 11 minutes , le voyage dura 21 jours 5 heures et 31 minutes.
Il faut ajouter que la distance parcourue fut plus qu’un tour du monde selon l’équateur avec une distance totale parcourue de 49 618 km ...mais que le tour s’effectuant dans le sens Ouest vers l’Est , cela permi de raccourcir la durée moyenne des jours comme pour Phileas Fogg....Bon , on ne va pas chicaner ....Par contre lors des escales, on pouvait faire le plein en carburant, mais  aussi en dihydrogène...en tout cas bien moins onéreux que l’hélium.
Source :https://fr.m.wikipedia.org/wiki/LZ_127_Graf_Zeppelin#Tour_du_monde

lambda0 a écrit:....
Vu aussi quelques concepts originaux dans la thèse, dans la recherche d'antériorité, comme l'idée de mettre l'enveloppe en rotation pour créer une force contrebalançant partiellement la pression atmosphérique.

Trent.T.Metlen  à l’origine de cette idée est cité par plusieurs thésards de l' Air Force Institute of Technology : il faudrait s’en occuper !
L’idée de base est que les matériaux peu denses sont plus résistants en tension qu’en compression...voir le fabuleux ascenseur spatial utilisant la rotation terrestre pour se maintenir....ça permettrait de monter plus haut qu’avec la Tour Eiffel sous compression.

A spherical structure designed to achieve positive buoyancy in air through the use of a vacuum will be presented. Structures designed to be strong in compression are traditionally heavy. This is because materials strong in compression are generally dense, and structures stable in compression are generally thick. The challenge of achieving positive buoyancy in air using a vacuum requires that a structure be built to withstand an external pressure without collapsing, but still have less mass than the air it displaces. There is no material in existence by which a homogenous, thin walled sphere could achieve this requirement. Therefore a design is proposed that uses optimal geometry to achieve a weight/buoyancy of 0.9.

https://www.researchgate.net/publication/268458130_Design_of_a_Structure_that_Achieves_Positive_Buoyancy_in_Air_Using_a_Vacuum

Une thèse : http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.841.376&rep=rep1&type=pdf

De mes souvenirs, il me semble que les difficultés liées à la mise en œuvre d'un aérostat dans l'atmosphère martienne, c'est la forte différence de pression atmosphérique entre le jour et la nuit.
D'où la solution du guide rope un temps envisagée.

Hadéen a écrit:De mes souvenirs, il me semble que les difficultés liées à la mise en œuvre d'un aérostat dans l'atmosphère martienne, c'est la forte différence de pression atmosphérique entre le jour et la nuit.
D'où la solution du guide rope un temps envisagée.

Effectivement les variations  sont importantes entre le jour et la nuit  :
https://planete-mars.com/les-variations-de-la-pression-atmospherique-sur-mars/
Si la solution du rope (laisse traînant sur le sol servant de lest variable ) n'est pas retenu, il faudra envisager un système de lestage avec des ballasts pouvant se remplir et se vider en air comprimé .

lambda0 a écrit:...
Vu aussi quelques concepts originaux dans la thèse, dans la recherche d'antériorité, comme l'idée de mettre l'enveloppe en rotation pour créer une force contrebalançant partiellement la pression atmosphérique.

Il faut reprendre ce concept original qui se trouve évoqué dans le chapitre de recherche d'antériorité à la page  26/283 de http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.833.5919&rep=rep1&type=pdf

T.T. Metlen considers the icosahedron and rotating cylinders. Details are discussed in Section 2.8.

et précisé plus loin dans la section 2.8. aux pages 47 et 48  qui commence au feuillet 68/233

68/233


Metlen also considered the ‘Rotating Cylinders’. The concept refers to having long thin skin cylinders rotate about their axis of symmetry, such that the centripetal force exerted by the skin would provide the additional stiffness needed to counteract the atmospheric pressure when an internal vacuum is created. He proposed the vehicle shown in Figure 19, composed of two smooth thin shell rotating cylinders mounted vertically into a gondola with propellers.

47


Considering the aerodynamics effects, the power requirements and its buoyancy, he found that for this vehicle to be feasible with a W/B less than 1, it would need to be 305-3100 meters long with cylinders radius of 1-10 meters for a W/B of 0.51, and it would need to be launched and operated above SL altitude where the drag is reduced by 99%, compared to the drag at SL


48

On peut reprendre ce concept pour Mars à basse altitude et pour Vénus à très haute altitude  et même concevoir des structures déployables si on exige plus de la pression centrifuge avec une vitesse tangentielle de rotation plus rapide et un rayon de rotation plus petit

Avec ce concept de cylindres en rotation, quelques calculs sur les ordres de grandeur de la taille minimale des cylindres et de leur vitesse angulaire de rotation :

Pour le rayon R d'un cylindre , on obtient l'inéquation : R⩾ 2.ρ _{surfacique enveloppe}/ ρ _{air martien} = 2 / 0,02  soit R⩾ 10 m


La pression centrifuge sera:   P_c=.ρ _{surfacique enveloppe} x ω² x R = P_{atm Mars}  pour contrebalancer la pression extérieure 


Si P_{atm Mars} =600 Pa, on obtient  ω = 12 rad /s soit 1,9 tr/s et la vitesse tangentielle sera de 120 m/s soit 432 km/h 


Donc sur Mars , ce concept semble réalisable sans faire appel à des matériaux exceptionnels .


 Dans cette atmosphère ténue, les frottements devraient rester faibles, et des cellules photovoltaïques pour le jour et des batteries pour la nuit pourraient suffire.

Giwa a écrit:

Hadéen a écrit:De mes souvenirs, il me semble que les difficultés liées à la mise en œuvre d'un aérostat dans l'atmosphère martienne, c'est la forte différence de pression atmosphérique entre le jour et la nuit.
D'où la solution du guide rope un temps envisagée.

Effectivement les variations  sont importantes entre le jour et la nuit  :
https://planete-mars.com/les-variations-de-la-pression-atmospherique-sur-mars/
Si la solution du rope (laisse traînant sur le sol servant de lest variable ) n'est pas retenu, il faudra envisager un système de lestage avec des ballasts pouvant se remplir et se vider en air comprimé .

L'intérêt du guide rope, c'est que sa masse peut être utile en abritant des instruments d'analyse des pergélisols.

Hadéen a écrit:

Giwa a écrit:
Effectivement les variations  sont importantes entre le jour et la nuit  :
https://planete-mars.com/les-variations-de-la-pression-atmospherique-sur-mars/
Si la solution du rope (laisse traînant sur le sol servant de lest variable ) n'est pas retenu, il faudra envisager un système de lestage avec des ballasts pouvant se remplir et se vider en air comprimé .

L'intérêt du guide rope, c'est que sa masse peut être utile en abritant des instruments d'analyse des pergélisols.

Quel dommage que cette mission PRISM n'est pu être accomplie !
Une soutenance de thèse  sur cette mission : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00745577/document
Dans la rubrique  "Remerciements",on peut relever le nom du professeur Jacques Blamont : 

Je remercie d'abord le Professeur Jacques Blamont, à qui l'on doit et la proposition initiale de l'expérience PRISM, et son ardeur à la défendre. 

En stage de DEA j'avais bossé sur PRISM. Permafrost Radar Investigations of the Sub-surface of Mars.

Hadéen a écrit:En stage de DEA j'avais bossé sur PRISM. Permafrost Radar Investigations of the Sub-surface of Mars.

Avant Mars 96 , il y a eu Mars 94 avec ce projet d'aérostat de type montgolfière solaire . Difficile de trouver plus d'informations sur internet sur  ce projet. Il serait intéressant d'en savoir un peu plus . Ce projet devait donc être lié à PRISM au départ ?

Giwa a écrit:

Hadéen a écrit:En stage de DEA j'avais bossé sur PRISM. Permafrost Radar Investigations of the Sub-surface of Mars.

Avant Mars 96 , il y a eu Mars 94 avec ce projet d'aérostat de type montgolfière solaire . Difficile de trouver plus d'informations sur internet sur  ce projet. Il serait intéressant d'en savoir un peu plus . Ce projet devait donc être lié à PRISM au départ ?

Non, clairement PRISM était un instrument d'opportunité. Moi quand j'ai bossé dessus c'était un ballon embarqué sur MARS 94. A la base, le professeur Blamont plaidait pour un ballon, véhicule simple déjà expérimenté sur VENUS. Sauf que pour résoudre le problème de variation de pression atmosphérique entre le jour et la nuit il fallait un guide rope. Engin massif par objectif. Donc autant le mettre à profit en y insérant des équipements. L'expérience PRISM était dédiée à la mise en évidence d'eau liquide sous le pergélisol. Je me souviens avoir "joué" avec cet instrument aux Spitzberg. 

A la suite du DEA, je suis assez rapidement parti pour de nombreuses années au CSG et j'avoue avoir arrêté de suive ce qu'il advenait de PRISM... MARS 94 s'étant rapidement transformé en MARS 96...

Comme déjà dit, le concept de l'ascenseur spatiale - comme de cet aérostat à cylindres tournant - est aussi  basé sur l'idée  d'utiliser l'effet centrifuge de la rotation pour rigidifier la structure . 
 Nous en avons un autre exemple , c'est celui de la voile solaire Ikaros de la Jaxa  qui, elle, fut réalisée et a fonctionné !  

  Successful Solar Sail Deployment               https://global.jaxa.jp/projects/sas/ikaros/

Ce fut l'objet de plusieurs sujets sur notre forum comme celui-ci : La voile solaire IKAROS

Si des variations de la vitesse de rotation permettaient de faire varier le volume, on aurait, en théorie, un moyen de contrôler la flottabilité sans avoir besoin d'une pompe pour refaire le vide à chaque fois qu'on veut remonter.

lambda0 a écrit:Si des variations de la vitesse de rotation permettaient de faire varier le volume, on aurait, en théorie, un moyen de contrôler la flottabilité sans avoir besoin d'une pompe pour refaire le vide à chaque fois qu'on veut remonter.

Une possibilité serait que l'enveloppe soit souple et élastique, donc déformable avec la forme d'un ellipsoïde de révolution allongé suivant l'axe de rotation (oblong), sa surface restante constante. Pour une certaine vitesse angulaire de rotation , cet ellipsoïde deviendrait une sphère de volume maximum.  
Toutefois cette vitesse ne serait pas à dépasser , sinon cet ellipsoïde s’aplatirait pour devenir prolate et le volume rediminuerait.
Malgré tout cette augmentation de volume exige du travail  qu'il faudrait récupérer au moins partiellement si on rediminue en volume.

Avec un volume fixe , bien sûr la pompe doit travailler si on fait le vide, mais on peut aussi tout de même récupérer aussi partiellement ce travail  avec une turbine lorsque l'on fait rentrer de l'air dans l'enveloppe pour atterrir.

Pour reprendre ce concept de cylindres verticaux en rotation , on peut s'interroger sur sa stabilité . Mais, en y réfléchissant un peu, cette disposition verticale est très stable, le centre de poussée étant nettement au-dessus du centre de gravité avec en plus un effet gyroscopique des cylindres en rotation qui maintient fermement cette attitude contre toute turbulence atmosphérique. C'est donc très bien pour un ballon sonde passif stratosphérique.
Par contre si on en envisage un dirigeable martien actif avec un système propulsif permettant de se déplacer assez rapidement, ce ne serait pas aérodynamique - même dans un air raréfié . Dans ce cas, les cylindres devraient être disposés horizontalement avec une nacelle dessous contenant batteries, pompe à vide et turbine , ainsi que les hélices propulsives . Par contre les cellules voltaïques seraient installées par dessus ou souples et intégrées aux enveloppes des cylindres.
Après, pour la navigation, les changements de direction devraient s'effectuer sur des grands rayons de courbure ... mais bon, c'est déjà le cas des paquebots ou des avions se déplaçant rapidement.

Après réflexion, j'ai rallongé le titre du sujet avec Titan ! En effet, ce serait l'atmosphère de Titan, le lieu idéal pour réaliser le rêve de Francesco Lana de Terzi !
 Quoique pour en faire un voilier, cela peut paraître  impossible ? Eh, bien, non, comme le ballon-voile de Didier Costes le prouve ! ;)

Deux critères sont importants pour la faisabilité d'un tel aérostat : la masse volumique μ de l’atmosphère  et sa pression P : Il faut μ le plus grand possible et P le moins élevée possible pour réduire les contraintes sur l'enveloppe. Mais comme les deux sont liés, on retiendra comme critère le rapport  μ /P le plus grand possible . En effet si  μ est grand  et que P n'est pas trop grand, on peut envisager une enveloppe plus résistante, même si elle est plus lourde ou ne faire qu'un vide partiel dans l'enveloppe pour faire une contre-pression.

Ce critère  μ/P- pour Mars en moyenne au niveau du sol -est de 1,5. 10 ^-5 u.S.I avec  μ =1,2.10^-2 kg.m^-3 et P = 600 Pa

En prenant l'approximation d'un gaz parfait et en considérant atmosphère de Titan comme du diazote ,on peut calculer  μ/P= M/RT avec M= 28. 10^-3 kg.m^-3, R=8,3 uSI et T =94 K . On trouve μ/P = 3,6 . 10^{- 3}... et à 40 km d’altitude au-dessus des nuages de méthane, là où il fait le plus froid , 
 μ/P = 4,6 .10^-3 uSI... trois fois mieux que sur Mars ! 

Et l’atmosphère de Titan étant étendu, on peut circuler  en montant  et descendant à volonté 
A suivre ... ;)

s'il reste de la place dans le titre, on peut ajouté jupiter, saturne, uranus et neptune. en effet une gros problème sur ces planètes et qu'elle sont majoritairement constituer d’hydrogène se qui fait que aucun gaz portant n'est plus leger que l'air exterieur et donc le vide est donc le seul moyen de faire volé un aerostat. par contre, il faudra d’énorme contrainte de conception car se sera beaucoup plus dur que pour mars, venus ou titan , car le facteur mu que tu décris dépend de la température (le plus bas possible) et de la masse molaire du gaz( la plus elevé possible). niveau température on est bien (au sens bas) surtout si on vas tater uranus ou neptune mais niveau masse molaire on est a 2 contre 28 sur titan et 44 sur venus ou mars. 
donc pour l'instant , si on veut une sonde atmospherique longue durée dans une geante gazeuse , il faudrais plus se tourné vers un moto planeur ou une autre solution aerodynamique.

phenix a écrit:s'il reste de la place dans le titre, on peut ajouté jupiter, saturne, uranus et neptune. en effet une gros problème sur ces planètes et qu'elle sont majoritairement constituer d’hydrogène se qui fait que aucun gaz portant n'est plus leger que l'air exterieur et donc le vide est donc le seul moyen de faire volé un aerostat. par contre, il faudra d’énorme contrainte de conception car se sera beaucoup plus dur que pour mars, venus ou titan , car le facteur mu que tu décris dépend de la température (le plus bas possible) et de la masse molaire du gaz( la plus elevé possible). niveau température on est bien (au sens bas) surtout si on vas tater uranus ou neptune mais niveau masse molaire on est a 2 contre 28 sur titan et 44 sur venus ou mars. 
donc pour l'instant , si on veut une sonde atmospherique longue durée dans une geante gazeuse , il faudrais plus se tourné vers un moto planeur ou une autre solution aerodynamique.

Tout à fait! Tu m’as devancé...j’avais gardé ça pour les chapitres suivants 

Sinon pour les géantes gazeuses, il faudrait connaître mieux l’évolution pour les très hautes altitudes de la pression, de la température et de la masse volumique. Avec une montgolfière gigantesque à dihydrogène chauffée par un GTR *ou RTG * , pourquoi pas ? 
Mais , on devient HS ! ;)
* NB:   GTR = Générateur Thermoélectrique à Radioisotope et RTG = Radioisotope Thermoelectric  Generator... GTR = RTG comme a.b.c = c.b.a

En plus léger que l'hydrogène moléculaire habituel, il y aurait bien l'hydrogène atomique, mais ça parait un peu délicat à conserver :hot:

lambda0 a écrit:En plus léger que l'hydrogène moléculaire habituel, il y aurait bien l'hydrogène atomique, mais ça parait un peu délicat à conserver :hot:

Il apparaît lors de l’attaque par des acides de métaux moins électronégatifs que l’hydrogène , mais sa durée de vie est brève avant de former du dihydrogène. Toutefois , durant sa brève existence , c’est un réducteur plus puissant que le dihydrogène permettant des réductions que le dihydrogène ne pourrait faire. 
Mais, bon, cela nous éloigne encore un peu plus de notre sujet ....même si on dit que la Nature a horreur du Vide en cherchant à l’expulser vers les Cieux...une explication de la poussée d’Archimède des aérostats à vide   ;)

Giwa a écrit:Après réflexion, j'ai rallongé le titre du sujet avec Titan ! En effet, ce serait l'atmosphère de Titan, le lieu idéal pour réaliser le rêve de Francesco Lana de Terzi !
 Quoique pour en faire un voilier, cela peut paraître  impossible ? Eh, bien, non, comme le ballon-voile de Didier Costes le prouve ! ;)

Deux critères sont importants pour la faisabilité d'un tel aérostat : la masse volumique μ de l’atmosphère  et sa pression P : Il faut μ le plus grand possible et P le moins élevée possible pour réduire les contraintes sur l'enveloppe. Mais comme les deux sont liés, on retiendra comme critère le rapport  μ /P le plus grand possible . En effet si  μ est grand  et que P n'est pas trop grand, on peut envisager une enveloppe plus résistante, même si elle est plus lourde ou ne faire qu'un vide partiel dans l'enveloppe pour faire une contre-pression.

Ce critère  μ/P- pour Mars en moyenne au niveau du sol -est de 1,5. 10 ^-5 u.S.I avec  μ =1,2.10^-2 kg.m^-3 et P = 600 Pa

En prenant l'approximation d'un gaz parfait et en considérant atmosphère de Titan comme du diazote ,on peut calculer  μ/P= M/RT avec M= 28. 10^-3 kg.m^-3, R=8,3 uSI et T =94 K . On trouve μ/P = 3,6 . 10^{- 3}... et à 40 km d’altitude au-dessus des nuages de méthane, là où il fait le plus froid , 
 μ/P = 4,6 .10^-3 uSI... trois fois mieux que sur Mars ! 

Et l’atmosphère de Titan étant étendu, on peut circuler  en montant  et descendant à volonté 
A suivre ... ;)

Le poids de l'enveloppe dépend de la gravité. Il me semble que cela devrait apparaitre quelque part dans un critère de faisabilité, et ça ne doit pas être du second ordre.
Cela tendrait d'ailleurs à renforcer l'avantage de Titan, où la pesanteur est plus faible qu'à la surface de Mars (on peut donc se permettre une enveloppe plus massive sans être plus pesante).

C’est justement un piège du comportement des aérostats par rapport aux aérodynes (avions et hélicoptères) 
Si ces derniers sont favorisés par un faible champs de pesanteur à condition que l’air reste suffisamment dense pour assurer la portance, ce n’est pas le cas des aérostats. En effet si leur poids se réduit dans un champs de pesanteur plus faible, il en est de même de la poussée d’Archimède et l’effet reste le même.
C’est d’ailleurs pourquoi il est préférable pour eux de raisonner sur les masses et non les poids.
Toutefois il y a quand même un effet indirect pour un astre petit comme Titan dont le champs de gravitation est faible, mais suffisamment éloigné du Soleil et donc très froid ce qui lui a permis de conserver une atmosphère de masse volumique élevée et qui s’étend justement à cause de ce faible champs de gravitation sur de hautes altitudes.
Cela est vraiment le lieu idéal pour des aérostats pouvant se déplacer facilement aussi bien verticalement qu’horizontalement sur de grandes distances.

Hum... je n'ai pourtant pas eu le coronamachin, qui, parait-il, s'attaque aussi au cerveau. Ça doit être le lundi matin. :oops:
Oui, bien sûr, tu as raison.

lambda0 a écrit:Hum... je n'ai pourtant pas eu le coronamachin, qui, parait-il, s'attaque aussi au cerveau. Ça doit être le lundi matin. :oops:
Oui, bien sûr, tu as raison.

En tout cas je te remercie car ça m’a permis d’insister sur ce point important de la différence de comportement des aérodynes et des aérostats. ;)