Aérostat à vide pour missions martiennes, vénusiennes et titaniennes !

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. ;)

On peut aussi penser aux aéronefs hybrides où le faible  champs de pesanteur de Titan  serait favorable .
On peut très bien envisager un aérostat à vide à la coque renforcée ou sous vide partiel pour bien résister à la pression extérieure  au niveau du sol , donc plus lourd , mais pouvant s'élever grâce à sa portance additionnelle comme aérodyne et prendre de la vitesse en altitude.

L'idée d'un aérostat à vide est toujours en l'air : voici le dernier projet en date  :
    
     O-Boot en italien 

      O-Boot en anglais

L'origine de ce nom vient du sous-marin U- Boot :The Origins
 
Un rêve : un bathyscaphe O- U- Boot plongeant dans l'atmosphère vénusienne profonde en remplissant ses ballasts, puis les vidant pour remonter dans la haute atmosphère!  ;)

N.B : de l’allemand  O-U- Boot = Ober (Sur) - Unter (Sous) - Boot (Bateau) ...   puisqu'il y a bien déjà les sous-marins... alors pourquoi pas les sur-marins (les O-Boots ) et par extension ces hybrides  ?  ;)

http://aoi.com.au/Originals/VacuumBalloon.pdf
 Un pdf qui mérite d’être étudié sur un ballon à vide avec deux enveloppes concentriques rapprochées où règne entre les deux, une pression double de la pression extérieure .
L’enveloppe intérieure est reliée à l’enveloppe extérieure par un réseau filaire pour la maintenir en extension.
Par ce procédé, toute la structure solide travaille en tension et le travail en compression est assuré par le gaz comprimé .

Très intéressantes réflexions, merci Giwa...  :up8:

Astro-notes a écrit:Très intéressantes réflexions, merci Giwa...  :up8:

Effectivement ! j'ai d'ailleurs l'intention en prenant notre temps (rien ne presse !  ;) ) de faire une analyse de ce pdf .

Le premier point à aborder est le pourquoi d'utiliser un aérostat à vide alors que l'on peut utiliser des ballons gonflés à l'hélium , voire au dihydrogène lorsque ce ballon est sans équipage humain et que l'environnement permet d'utiliser ce gaz sans risque ?
Voici la réponse :

However, the greatest advantage of the vacuum balloon lies in the way it avoids one of the major limitations of conventional balloons. They leak.The leaks may be kept small, and reserves of the lifting gas can be kept in some form on board, but the fact remains. that sooner or later a conventional balloon must run out of gas, and come to ground. A vacuum balloon, however, does not have this limitation. Leaks in the structure containing the vacuum may exist, but they can be neutralized just by pumping out the air which has leaked in. For this reason, the vacuum balloon has the potential to remain permanently aloft.

Donc l'avantage principal d'un ballon à vide ne réside pas dans un gain de portance - surtout que son enveloppe peut s'avérer un peu plus lourde, - mais dans une autonomie accrue ... or cela est essentiel pour un aérostat se trouvant dans l’atmosphère d'une autre planète où il n'existera pas de station de service pour refaire le plein ...avec le vide, il n'y a pas de plein à faire  ! ;)

Giwa a écrit:Le premier point à aborder est le pourquoi d'utiliser un aérostat à vide alors que l'on peut utiliser des ballons gonflés à l'hélium , voire au dihydrogène lorsque ce ballon est sans équipage humain et que l'environnement permet d'utiliser ce gaz sans risque ?
Voici la réponse :

However, the greatest advantage of the vacuum balloon lies in the way it avoids one of the major limitations of conventional balloons. They leak.The leaks may be kept small, and reserves of the lifting gas can be kept in some form on board, but the fact remains. that sooner or later a conventional balloon must run out of gas, and come to ground. A vacuum balloon, however, does not have this limitation. Leaks in the structure containing the vacuum may exist, but they can be neutralized just by pumping out the air which has leaked in. For this reason, the vacuum balloon has the potential to remain permanently aloft.

Donc l'avantage principal d'un ballon à vide ne réside pas dans un gain de portance - surtout que son enveloppe peut s'avérer un peu plus lourde, - mais dans une autonomie accrue ... or cela est essentiel pour un aérostat se trouvant dans l’atmosphère d'une autre planète où il n'existera pas de station de service pour refaire le plein ...avec le vide, il n'y a pas de plein à faire  ! ;)

Ben il faut quand même une pompe pour refaire le plein de vide, en cas de fuites de vide :D

J'avais déjà étudier la question (pour venus) mais j'ai un problème de modélisation. 
on a une couche externe de rayon Rext qui subit une force vers l’extérieur de pression interne (Pint) moins la pression exterieur (Pext) multiplier par la surface (4*pi*Rext^3).
on a une couche interne de rayon Rint qui subit une force vers l’intérieur de pression interne (pas de soustraction vu que la pression du coeur est nul) multiplier par la surface (4*pi*Rint^2)
 
pour qu'il ne soit pas ecrasé, il faut que la force vers l’extérieur soit supérieur a celle vers l’intérieur donc 

4*pi*Rext^3 *(Pint-Pext)> 4*pi*Rint^2*Pint


donc il y a une pression interne minimal  en fonction du ratio Rint/Rext. le problème c'est que cette pression multiplie d'autant la masse volumique du gaz portant.

quand je fait les calcules, ca marche, on arrive a avoir de la portance mais, quand je cherche le ratio Rint/Rext optimal je tombe sur.... 0. en fait la masse de gaz est minimal quand tout le ballon est remplie (comme un dirigeable classique) plutôt que quand il y a une zone vide a l’intérieur qui diminue le volume de gaz mais augmente trop ça masse volumique a cause de la pression. 
et je parle que du gaz. il y a aussi la masse d'enveloppe qui serait plus importante vu qu'on en a deux, qu'on augmente les pression en jeu et qu'on a des tenseur pour lier les deux enveloppes.

La surface d'une sphère est 4 pi R^2 ... mais le raisonnement est quand même à reprendre !

Giwa a écrit:La surface d'une sphère est 4 pi R^2 ... mais le raisonnement est quand même à reprendre !

ouch, honte a moi, j'ai taper trop vite et mélangé la surface et le volume, c'est corrigé

Le raisonnement tenu dans ce pdf pour un réseau de deux sphères concentriques reliées entr'elles par un réseau est différent et l'auteur considère cet ensemble comme équivalent à une sphère solide  :

Now consider a sphere made up of two concentric film skins, with the inner film linked to the outer one by thin threads 1cm long, placed roughly 1cm apart over the whole surface. The space between the films can be inflated to form a rigid skin which will behave like a solid skin in most respects, and will allow the centre of the sphere to be evacuated. The pressure needed in the skin should be just over 2 atmospheres

Si on adopte plutôt le point de vue de Phénix, j'arrive à l'inéquation Pint /Pext >1/(1-(Rint/Rext)^2))
Dans ce cas, si Rint tend vers Rext , Pint tend vers l'infini et nous n'avons plus affaire à un gaz. 
Pour éviter cela , prenons seulement Rint/Rex = 3/4 .   On en déduit Pint/Pext >16/7 , soit Pint  un peu plus du double de Pext, donc un résultat plus proche de celui du pdf

le problème c'est que 3/4^3 c'est environ 0,42. donc le volume de gaz est supérieur a 50% mais la pression étant de 2 fois le pression extérieur la masse volumique est aussi multiplier par deux (simplification avec la loi des gaz parfait). donc au final on a besoin de plus de gaz que si on remplisse simplement le ballon sans volume vide. 

Je comprend pas l'argument de l'autonomie. Comme calculé au dessus, on a besoin de plus de gaz pour remplire un ballon a vide que pour un ballon classique. de plus on a une différence de pression vers l’extérieur bien plus importante (donc se qui augmente le taux de fuite) et on rajoute une parois interne ou on aura aussi des fuites. :scratch:

Aie, avec ce sujet, que je ne suis pas, je remarque que vous m'avez réveillé Giwa et que phenix pour avoir le dernier mot va nous utiliser la classique inversion de la sphère si ça continue et avec la température en France, aujourd'hui, à cette heure, ce n'est pas raisonnable. C'est plutôt l'heure de   que de vous remuer le machin que vous avez dans le golgot ! :ven:

phenix a écrit:le problème c'est que 3/4^3 c'est environ 0,42. donc le volume de gaz est supérieur a 50% mais la pression étant de 2 fois le pression extérieur la masse volumique est aussi multiplier par deux (simplification avec la loi des gaz parfait). donc au final on a besoin de plus de gaz que si on remplisse simplement le ballon sans volume vide. 

Je comprend pas l'argument de l'autonomie. Comme calculé au dessus, on a besoin de plus de gaz pour remplire un ballon a vide que pour un ballon classique. de plus on a une différence de pression vers l’extérieur bien plus importante (donc se qui augmente le taux de fuite) et on rajoute une parois interne ou on aura aussi des fuites. :scratch:

Effectivement ce rapport Rint/Rext = 3/4 n'est pas encore assez proche de 1 pour que cela devienne intéressant et il faut un rapport encore plus proche de 1.
c'est d'ailleurs ce qui est pris en exemple dans ce pdf :

Suppose that the combined thickness of the two skins was 0.01cm. This is about four-thousandths of an inch, in the range of conventional plastic packaging films, which can be made very tough. For example, the pressure exerted by the rim of a can of baked beans, at the bottom of a loaded plastic shopping bag, is well over two atmospheres equivalent. In making the calculations, the weight of the air within the skin can be neglected as a first approximation; one atmosphere of the pressure supplies its own upthrust, and the other half has a total mass an order of magnitude less than the mass of 0.01cm of film. A value of 0.01cm for T leads to a value for R of 25cm, a radius of less than a foot: R = 25cm

Giwa a écrit:http://aoi.com.au/Originals/VacuumBalloon.pdf
 Un pdf qui mérite d’être étudié sur un ballon à vide avec deux enveloppes concentriques rapprochées où règne entre les deux, une pression double de la pression extérieure .
L’enveloppe intérieure est reliée à l’enveloppe extérieure par un réseau filaire pour la maintenir en extension.
Par ce procédé, toute la structure solide travaille en tension et le travail en compression est assuré par le gaz comprimé .

Une autre proposition de ce pdf : une seule enveloppe mais avec des armatures tubulaires à gaz sous pression :

Even this inflated structure could be improved upon, by replacing the concentric film surfaces by a network of inflated ribs with a single film stretched between them; an inflated geodesic sphere. Not only would most of the sphere surface consist of only one film instead of two, but that single film would need to withstand a pressure differential of only one atmosphere instead of two

on évite ainsi le problème qu'avait montré phenix  d'un différentiel de pression entre les deux enveloppes concentriques .
Par ce procédé ,on  peut envisager d'autres structures que les formes sphériques comme l'icosaèdre déjà mentionné :

Pour rappel,  si l on souhaite que la structure ne s écrase pas il faut que:
Sext *(Pint- Pext)>Sint * Pont
Sext= surface de la parois extérieurs  Sint=surface de parois interne     pext=pression extérieure  pint=pression entre les parois. 

Donc si rayon ext/rayon int se rapproche de 1, le volume de gaz vas diminuer mais les différence de surface vont diminuer aussi se qui implique une augmentation de la pression à un point que l augmentation de sa masse volumique compense le volume perdu . Bref des calculs que j ai fait c est moins intéressant qu un ballon classique. 

Pour une structure gonflable on retombe sur le même problème,  plus on diminue le volume plus on augmente la pression

Cette forme est une voûte géodésique et les treillis tubulaires travaillent en compression : 
https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Dôme_géodésique
De plus sous forte pression, les gaz s’éloignent de la loi des gaz parfaits et c’est l’équation d’état de Van der Waals qui s’applique ...les gaz conservent un covolume et la masse volumique n’est plus proportionnelle à la pression.
https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Équation_d%27état_de_van_der_Waals

Even this inflated structure could be improved upon, by replacing the concentric film surfaces by a network of inflated ribs with a single film stretched between them; an inflated geodesic sphere. 

Un article intéressant sur des ballons rigides à double enveloppe avec une structure en treillis pour éviter le flambage capables de supporter la pression atmosphérique martienne de densité supérieure à celle de l’air terrestre selon d =M/29, soit 44/29= 1,5
https://ae.gatech.edu/news/2017/04/nasa-gives-ae-professors-clarke-and-rimoli-green-light-new-vehicle-design

Le rapport technique  NIAC de cette étude sur ce ballon à vide à nid d'abeille entre l'enveloppe extérieure et l'enveloppe extérieure :
https://ntrs.nasa.gov/citations/20180006789

Assez surprenant , mais en y réfléchissant rationnelle, la méthode envisagée pour le déploiement du ballon compacté lors du lancement et du voyage qui débuterait juste avant l'entrée atmosphérique martienne : voir à partir de la page 40 du PDF

Cette possibilité d'un aérofreinage dans des conditions encore plus difficile d'un ballon a été envisagé pour un atterrisseur plutonien :
   https://astronautique.actifforum.com/t18574-prochaine-sonde-vers-pluton
https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/pluton-pluton-raisons-aller-rebondir-tourner-autour-cette-planete-naine-68893/

En effet si le rapport de la surface à la masse devient très grand, la température de surface de la sonde s'élève beaucoup moins lors de l'entrée atmosphérique et alors il n'est plus nécessaire d'avoir un bouclier thermique.

Pour reprendre ce sujet au long cours et à propos du déploiement de l'aérostat, on pourrait le gonfler au dihydrogène ! 
Mais dans ce cas, on peut répliquer que ce ne serait plus un aérostat à vide, mais à gaz !

Oui ! Mais il le redeviendrait ! En effet la pression partielle en dihydrogène est quasi-nulle à l'extérieure et lentement par diffusion l'aérostat se viderait tout en maintenant son volume puisque rigide et conçu pour supporter la pression extérieure !
Mais alors quel est l'avantage puisqu'il a fallu remplir préalablement l'aérostat ? De ne pas avoir à refaire d'autres recharges en dihydrogène !

D'accord, mais il ne faudrait pas oublier que le phénomène de diffusion à travers une paroi se fait dans les deux sens et que le dioxyde de carbone de l'air martien finirait - plus lentement bien sûr puisque ses molécules sont plus volumineuses - par entrer à l'intérieur.

Mais ce phénomène pourrait être combattu en mettant en fonction une pompe à vide électrique alimentée à l'énergie  solaire

Balle ajourée

Pour reprendre cette structure en forme de balle ajourée du message précédent, si les surfaces - entre les arêtes - seraient en tension, ce qui permet de trouver assez facilement des matériaux résistants , pour les arêtes qui seraient en compression, la résistance au flambage se pose.

Une possibilité serait d'envisager des tubulures fines creuses remplies d'un liquide sous pression pour assurer la rigidité de la structure et qui s'opposerait au flambage par une uniformisation des contraintes . De plus cela résoudrait le problème du gonflage préalable de cette structure compactée pour le transport.

 Pour les conditions régnant sur Mars, le méthanol de masse volumique -pas trop élevée- de 792 kg.m^-3 pourrait convenir  - liquide entre -98 et 65°C   lors des jours martiens . Pour les vols nocturnes ,un chauffage -sans doute assez faible car les déperditions thermiques par convection sont faibles dans l'air martien rarifié - pourrait éviter la solidification du méthanol

Si pour Mars, dans le message précédent , on peut envisager comme liquide de remplissage des tubulures, du méthanol pour assurer la rigidité de la structure par pression hydraulique, pour Titan on pourrait utiliser du méthane liquide que l'on pourrait même prélever directement dans son atmosphère sous forme gazeuse ou liquide dans ses lacs !