Question : et si on rentrait "doucement" dans l'atmosphère ?

Cela fait un certain temps que je me pose une question. Ce qui fait qu'une rentrée dans l'atmosphère est complexe, c'est la vitesse. Sans vitesse, pas d'échauffement.

Jusqu'à maintenant, nos techniques consistent justement à apporter le freinage minimum qui permet d'amorcer la rentrée, et d'utiliser l'atmosphère pour faire le reste. Cela permet d'économiser les ergols (donc la masse), mais a pour conséquence de solliciter une protection thermique complexe, et d'induire des efforts mécaniques sur le véhicule qui ne doivent pas lui faire du bien.

Ne pourrait-on pas essayer de raisonner à l'inverse ? C'est-à-dire de faire un très gros freinage, afin que le contact avec l'atmosphère se fasse en douceur et sans échauffement particulier ?

Un Soyouz freine à 128 m/s, soit 460 km/h, et un Dragon (je crois) à 95 m/s, soit 342 km/h. Imaginons qu'on freine dix fois plus. Cela signifierait qu'au lieu d'embarquer quelques centaines de kg d'ergols, on devrait prendre quelques tonnes. Ce qui n'aurait pas de sens pour un Soyouz ou un Dragon, mais pour un Starship ?

Si j'ai bien compris, il s'agirait de faire un gros freinage propulsé en dehors de l'atmosphère pour annuler quasiment la composante horizontale de la vitesse, tout en empêchant la composante verticale de trop augmenter à cause de la gravité (Puisque la vitesse horizontale ne la compense plus), afin que la vitesse de réentrée soit suffisamment faible pour se passer de bouclier ?

Ça doit se compter en dizaines de tonnes d'ergols  

Oui c'est ça ! 

Mais sans parler d'annuler la composante horizontale,  l'idée serait de la réduire autant que possible pour économiser sur le dimensionnement du bouclier...

Bien sûr cela n'aurait d'intérêt que pour des véhicules très gros et réutilisables.

Sur la navette, la protection thermique pour la rentrée pesait de l'ordre d'une dizaine de tonnes (livre de D.R. Jenkins), soit 10% ou un petit peu plus de la masse de l'engin à la rentrée. . Et ces 10 tonnes permettait de dissiper l'energie necessaire à un ralentissement de 7800 m/s.

Si ces 10 tonnes avaient été des ergols, ca n'aurait pu ralentir la navette de 100 tonnes que de 300-500 m/s.
Et on sait faire des protections thermiques plus légères maintenant.
Pour que ça soit intéressant, il faudrait une impulsion spécifique de l'ordre d'au moins 5000s.

Avec un moteur à effet hall, on peut s'y approcher, mais la faible poussée empêche une déceleration effective en trajectoire suborbitale.
L'alternative c'est la propulsion nucléaire pulsée ou thermique avec réacteur à cœur gazeux, dont la pollution et les risques sont plus qu’indésirable en trajectoire suborbitale.

nikolai39 a écrit:Oui c'est ça ! 

Mais sans parler d'annuler la composante horizontale,  l'idée serait de la réduire autant que possible pour économiser sur le dimensionnement du bouclier...

Bien sûr cela n'aurait d'intérêt que pour des véhicules très gros et réutilisables.

oui il faut se rendre compte que d'un point de vue energetique, passé de l'orbite a la surface demande quasiment autant d'energie que de passé de la surface a l'orbite (moins perte aero et gravité). Donc un bouclier thermique , aussi lourd soit il , fait le travail de toute la fusée qui a mis le vaisseau en orbite.
je n'ai etudier qu'un cas ou se serai interessant (et encore j'ai fini sur une autre solution). c'etait un premier etage fusée dont n'ateiniant pas la vitesse orbital. il y a une vitesse en dessous de laquel cette fusée peut rentré sans protection thermique particulier (l'echaufement est inferieur a la temperature limite du materiau dont elle est constituer), si a la fin de la poussé l'etage est legerement au dessus de cette vitesse limite, il est plus rentable de freiné avec les moteurs que de mettre une protection thermique complete. 
Si tu veux, se soir je peux faire un tableur excel avec echauffement en fonction de la vitesse de rentré, il faudrais juste definir une geometrie (masse, surface frontal et rayon), les calculs sont plutot facile pour une rentré balistique (plus dure pour une rentré avec portance).

phenix a écrit:
oui il faut se rendre compte que d'un point de vue energetique, passé de l'orbite a la surface demande quasiment autant d'energie que de passé de la surface a l'orbite

Oui mais moi je ne veux pas passer de 28000 km/h à 0 km/h. Je veux "juste" passer de 28000 km/h à la vitesse qui me permet de n'avoir qu'une petite protection thermique légère et bon marché...

Si tu sais faire ces calculs, j'avoue que ça satisferait beaucoup ma curiosité !!
Pour la forme, pourquoi ne pas prendre quelque chose comme le Starship ?

Outre les aspects purement énergétiques, il faut aussi garder en tête que le bouclier est un facteur très important :
- de hausse du coût
- de baisse de la fiabilité
- de complexification de la réutilisation.

Même si Starship fait mieux que la navette sur ces trois points, ça restera vrai dans une certaine mesure. Donc si je dois emmener dix tonnes d'ergols supplémentaires pour m'en passer, pourquoi pas ? Après tout, c'est le même raisonnement pour le retour du premier étage : c'est un cauchemar en termes de perfo, mais ils le font quand même parce que les avantages compensent.

Autre avantage de ma technique : elle permet je pense de simplifier le pilotage de la rentrée.

nikolai39 a écrit:Oui mais moi je ne veux pas passer de 28000 km/h à 0 km/h. Je veux "juste" passer de 28000 km/h à la vitesse qui me permet de n'avoir qu'une petite protection thermique légère et bon marché...

Le problème, c'est que la vitesse qui "permet de n'avoir qu'une petite protection thermique légère et bon marché" sera à mon avis beaucoup plus proche de 0 km/h que de 28000 km/h, et donc la quantité d'ergols à emporter sera probablement conséquente. Je doute que ce soit une solution valable sans propulsion nucléaire (Un peu dans le genre des vaisseaux dans The Expanse).
Ceci dit, les certitudes ne remplaçant pas les faits, un petit bout de calcul serait intéressant 

nikolai39 a écrit:Autre avantage de ma technique : elle permet je pense de simplifier le pilotage de la rentrée.

Pas forcement de beaucoup, la difficulté de la transition entre les phases de vols hypersoniques hautes à basse à supersonique à transsonique puis subsonique, et de la conception d'un engin capable de voler dans toutes ces phases de vols, reste intact même en réduisant de moitié la vitesse du vaisseau.

Aussi, en réduisant la composante horizontale de la vitesse, sans compenser significativement sur la composante verticale, on rentre dans l’atmosphère avec un angle plus élevé par rapport au sol., pas forcement idéal pour le contrôle du vaisseau, surtout si c'est un corps portant/avion.

bonjour
pour bien se rendre compte de la problématique et voir l'impossibilité de la solution je vous invite à regarder précisément une rentrée atmosphérique d'un 1er étage de Falcon 9 qui lui revient sans protection thermique mais juste à la limite de fondre, d'ailleurs sur les 1er prototypes les grilles étaient en aluminium (aujourd'hui en titane) et elles commençaient à fondre sous l'oeil des caméras.

A partir du moment d'inversion de l'ascension vers 110km nous avons zéro vitesse verticale.
sous l'effet de la gravitation la vitesse de chute accélère très fort jusqu'à environ 60km d'altitude (je crois) est là SpaceX est obligé de démarrer les moteurs pour freiner car les températures d'échauffement deviennent trop élevés.
SpaceX maintien se ralentissement motorisé jusqu'à environ 6000Km/h juste au moment ou la densité de l'atmosphère permet de prendre le relais pour ralentir aérodynamiquement le vaisseaux, 6000Km/h qui est la vitesse maxi (avec une marge) avant de fondre par échauffement.

Tout cela montre très clairement qui si la vitesse de départ était 28000Km/h à la place de zéro Km/h, il devient impossible de rentrer dans l'atmosphère sans bouclier thermique, car il faudrait passer de 28000Km/h à l'altitude de 110Km à 6000Km/h à l'altitude 60Km, le différentiel nécessite une quantité d'ergol supérieur à celle nécessaire au décollage, physiquement impossible.   

j'ai peut être dis des bêtises n'hésitez pas à me corriger.

bon , étant légèrement alcoolisé (ephemisme) se soir , je vais pas donne les explications, juste les resultats

donc: starship de 150t en orbite circulaire a 400km faisant une rentré balistique, voici  la décélération max et la température de surface en fonction du DV de désorbitation



c'est contre intuitif, mais poussé moyennement et pire que poussé peu. en fait c'est parce que si on se désorbité a peine, l'angle d'entré sera très plat, donc le vaisseau vas longuement frotté les couche haute de l'atmosphere faisant décroitre graduellement la vitesse alors que si on decelaire plus, on augmente l'angle et on rentre trop vite dans les couches dense.

phenix a écrit:bon , étant légèrement alcoolisé (ephemisme) se soir , je vais pas donne les explications, juste les resultats

donc: starship de 150t en orbite circulaire a 400km faisant une rentré balistique, voici  la décélération max et la température de surface en fonction du DV de désorbitation

dv	0,25	0,5	0,75	1	1,25	1,5	1,75	2	2,25	2,5	2,75	3	3,25	3,5	3,75	4	4,25	4,5	4,75	5	5,25	5,5	5,75	6	6,25	6,5	6,75	7	7,25	7,5
a max	90,5646969	142,760632	174,98778	197,690868	214,282852	226,440092	235,155154	241,085694	244,702316	246,361581	246,346114	244,888501	242,186476	238,413142	233,724217	228,263428	222,16675	215,565881	208,591236	201,374579	194,051354	186,762648	179,656599	172,88892	166,622051	161,0223	156,254385	152,473054	149,81216	148,372584
T	1983,42576	2079,17681	2102,08378	2099,83949	2084,27316	2060,25724	2030,30394	1995,89457	1957,9876	1917,24942	1874,17267	1829,14294	1782,47974	1734,46366	1685,3561	1635,41494	1584,90819	1534,12693	1483,39834	1433,09923	1383,67004	1335,62873	1289,58303	1246,23837	1206,39728	1170,94475	1140,8134	1116,92471	1100,10748	1091,0042

c'est contre intuitif, mais poussé moyennement et pire que poussé peu. en fait c'est parce que si on se désorbité a peine, l'angle d'entré sera très plat, donc le vaisseau vas longuement frotté les couche haute de l'atmosphere faisant décroitre graduellement la vitesse alors que si on decelaire plus, on augmente l'angle et on rentre trop vite dans les couches dense.

Il faudrait faire une image du tableau car quelque chose dans le code html du forum le fait disparaître (alors qu'il réapparaît quand on le cite jusqu'à ce qu'on clique sur poster)...

Ç

philippe26 a écrit:bonjour
pour bien se rendre compte de la problématique et voir l'impossibilité de la solution je vous invite à regarder précisément une rentrée atmosphérique d'un 1er étage de Falcon 9 qui lui revient sans protection thermique mais juste à la limite de fondre, d'ailleurs sur les 1er prototypes les grilles étaient en aluminium (aujourd'hui en titane) et elles commençaient à fondre sous l'oeil des caméras.

A partir du moment d'inversion de l'ascension vers 110km nous avons zéro vitesse verticale.
sous l'effet de la gravitation la vitesse de chute accélère très fort jusqu'à environ 60km d'altitude (je crois) est là SpaceX est obligé de démarrer les moteurs pour freiner car les températures d'échauffement deviennent trop élevés.
SpaceX maintien se ralentissement motorisé jusqu'à environ 6000Km/h juste au moment ou la densité de l'atmosphère permet de prendre le relais pour ralentir aérodynamiquement le vaisseaux, 6000Km/h qui est la vitesse maxi (avec une marge) avant de fondre par échauffement.

Tout cela montre très clairement qui si la vitesse de départ était 28000Km/h à la place de zéro Km/h, il devient impossible de rentrer dans l'atmosphère sans bouclier thermique, car il faudrait passer de 28000Km/h à l'altitude de 110Km à 6000Km/h à l'altitude 60Km, le différentiel nécessite une quantité d'ergol supérieur à celle nécessaire au décollage, physiquement impossible.   

j'ai peut être dis des bêtises n'hésitez pas à me corriger.

Très bon exemple    Moins la composante horizontale est élevée, plus la trajectoire de rentrée dans l’atmosphère se  rapproche de la verticale et pour des altitudes très élevées,la densité de l’atmosphère est très insuffisante pour offrir un freinage suffisant : l’engin reprend beaucoup de vitesse avant d’entrer dans les couches atmosphériques plus denses et le délai de freinage atmosphérique est insuffisant avant d’atteindre  les couches encore plus denses et si on n’utilise pas la rétro propulsion la rentrée dans ces couches plus denses se fera à trop grande vitesse
Sans vitesse latérale et en chute verticale rappelons nous que le record de chute libre en parachute fut établi par Baumgartner d’une hauteur de presque 39 km et que dans la première partie de sa chute il accéléra jusqu’à Mach 1,25 avant que la densité de l’air soit suffisante pour commencer à ralentir sa chute.

PS @phenix par contre pour une rentrée atmosphérique sur Vénus, où l’évolution de la densité atmosphérique et la composition est très différente avec une densité plus élevée en très haute altitude et plus graduelle, cela mériterait de faire une étude si il deviendrait possible de rentrer plus verticalement avec moins de rétropropulsion.

Giwa a écrit:une rentrée atmosphérique sur Vénus, où l’évolution de la densité atmosphérique et la composition est très différente avec une densité plus élevée en très haute altitude et plus graduelle, cela mériterait de faire une étude si il deviendrait possible de rentrer plus verticalement avec moins de rétropropulsion.

Il me semble bien que les landers Venera descendaient sans rétropropulsion, juste avec un parachute qui était largué à plusieurs kilomètres d'altitude.

Blink / Pamplemousse a écrit:

Giwa a écrit:
une rentrée atmosphérique sur Vénus, où l’évolution de la densité atmosphérique et la composition est très différente avec une densité plus élevée en très haute altitude et plus graduelle, cela mériterait de faire une étude si il deviendrait possible de rentrer plus verticalement avec moins de rétropropulsion.

Il me semble bien que les landers Venera descendaient sans rétropropulsion, juste avec un parachute qui était largué à plusieurs kilomètres d'altitude.

En fait sur venus, a 50km d’altitude, il y a quasiment la même masse volumique de l’air qu’à la surface de la terre. Donc la phase « énergétique » de la rentrée atmosphérique (avec décélération et flux thermique max) se fera au-dessus, ensuite la sonde tombera comme une feuille morte. Le fait que l’air soit extrêmement dense en surface fait même que les derniers instants avant de toucher la surface nous rapproche presque plus d’une chute dans un liquide qu’un gaz. 
Donc pour se qui nous intéresse (le haut de la rentré atmosphérique) ,se qui est le plus significatif entre la terre et venus est le fait que l’atmosphère soit en CO2 (plus grosse masse molaire que l’air terrestre). Cela a tendance a rendre plus compact l’atmosphère, on vas donc se retrouvé avec les mêmes masse volumique mais a des altitudes plus resserré. Si l’ont veux minimisé le flux thermique, il faudra avoir une trajectoire encore plus plate (donc une très faible delta V de désorbitation) pour profite des couche peu dense aussi longtemps de sur terre.

Bon après, Vénus a eu le droit a la visite d’une des sondes les plus téméraire de l’histoire. La sonde nord de pioneer venus multiproble. Vu que la trajectoire de la mission était optimisée pour la sonde principal, la sonde nord a du faire un piqué a 11,7km et 70° par rapport a l’horizontal. La sonde a survécu

phenix a écrit:bon , étant légèrement alcoolisé (ephemisme) se soir , je vais pas donne les explications, juste les resultats

donc: starship de 150t en orbite circulaire a 400km faisant une rentré balistique, voici  la décélération max et la température de surface en fonction du DV de désorbitation



c'est contre intuitif, mais poussé moyennement et pire que poussé peu. en fait c'est parce que si on se désorbité a peine, l'angle d'entré sera très plat, donc le vaisseau vas longuement frotté les couche haute de l'atmosphere faisant décroitre graduellement la vitesse alors que si on decelaire plus, on augmente l'angle et on rentre trop vite dans les couches dense.

Merci beaucoup phenix, c'est exactement ce que je cherchais. Donc même si je freine à 6 km/s, c'est-à-dire que j'annule 75% de ma vitesse, je chaufferai quand même à 1200°C.

Mais je trouve ça également contre-intuitif. Cela signifie que je chauffe presque autant à cause de l'énergie dissipée pendant ma chute qu'à cause du freinage...

Donc si quelqu'un faisait comme Brad Pitt au début de Ad Astra, il crâmerait !

philippe26 a écrit:il faudrait passer de 28000 km/h à l'altitude de 110 km à 6000 km/h à l'altitude 60 km, le différentiel nécessite une quantité d'ergol supérieur à celle nécessaire au décollage

Comment en être si sûr ? Cela dépend de mon Isp, non ?

nikolai39 a écrit:

phenix a écrit:bon , étant légèrement alcoolisé (ephemisme) se soir , je vais pas donne les explications, juste les resultats

donc: starship de 150t en orbite circulaire a 400km faisant une rentré balistique, voici  la décélération max et la température de surface en fonction du DV de désorbitation



c'est contre intuitif, mais poussé moyennement et pire que poussé peu. en fait c'est parce que si on se désorbité a peine, l'angle d'entré sera très plat, donc le vaisseau vas longuement frotté les couche haute de l'atmosphere faisant décroitre graduellement la vitesse alors que si on decelaire plus, on augmente l'angle et on rentre trop vite dans les couches dense.

Merci beaucoup phenix, c'est exactement ce que je cherchais. Donc même si je freine à 6 km/s, c'est-à-dire que j'annule 75% de ma vitesse, je chaufferai quand même à 1200°C.

Mais je trouve ça également contre-intuitif. Cela signifie que je chauffe presque autant à cause de l'énergie dissipée pendant ma chute qu'à cause du freinage...

Donc si quelqu'un faisait comme Brad Pitt au début de Ad Astra, il crâmerait !

les chiffres que tu a vue était pour une orbite initiale de 400km, donc ~325km de chute libre avant que l'atmosphere ai un effet.  De plus, c'est pour un starship voici les calcule ci-dessous pour l'orbite de 400, 200, 100, 50 km pour un starship

phenix a écrit:

les chiffres que tu a vue était pour une orbite initiale de 400km, donc ~325km de chute libre avant que l'atmosphere ai un effet.  De plus, c'est pour un starship voici les calcule ci-dessous pour l'orbite de 400, 200, 100, 50 km pour un starship

325 km de chute libre voudrait dire que l'atmosphère n'a un effet qu'en dessous de 75 km d'altitude...

Même s'il y a une différence entre le début d'un freinage notable et le début de la formation du plasma, durant IFT-3 ce dernier a commencé à être visible à 102 km d'altitude.

pour brad pitt a 100km c'est chaud mais du nomex tiens, a 60km c'est carrément vivable

A une époque, il y avait eu une expérience de lancer d'avion en papier depuis l'ISS, pour voir si ça arrivait sur Terre sans brûler. Pour que cela puisse marcher, la vitesse horizontale doit être fortement réduite très progressivement dans les hautes couches de l'atmosphère, tout en planant. Je ne sais pas quel a été le résultat (ni même si l'expérience a réellement été effectuée en fait).

lambda0 a écrit:A une époque, il y avait eu une expérience de lancer d'avion en papier depuis l'ISS, pour voir si ça arrivait sur Terre sans brûler. Pour que cela puisse marcher, la vitesse horizontale doit être fortement réduite très progressivement dans les hautes couches de l'atmosphère, tout en planant. Je ne sais pas quel a été le résultat (ni même si l'expérience a réellement été effectuée en fait).

Apparemment ça n'a jamais été fait.


[url=https://fr.wikipedia.org/wiki/Avions_de_papier_lanc%C3%A9s_de_l%27espace#:~:text=Le 28 octobre 2010%2C le,ouest de Madrid%2C en Espagne.]https://fr.wikipedia.org/wiki/Avions_de_papier_lanc%C3%A9s_de_l%27espace#:~:text=Le%2028%20octobre%202010%2C%20le,ouest%20de%20Madrid%2C%20en%20Espagne.[/url]

Dommage. C'était bien ce projet japonais qui était le plus intéressant (les autres ne sont que des lâchers de haute altitude sans vitesse horizontale significative).