Ravitaillement en orbite

En fait je crois qu'on sous-estime pas mal l'intérêt économique du "refueling" en orbite. Dans le cas de figure que j’ai décris tout à l’heure il n’y aurait comme surcoûts que la station orbitale d’électrolyse et l’atterrisseur à embarquer dans la soute de la navette. La question du rapport de masse devient secondaire quand on a des stations-services sur le chemin…

Puisque tu lances le sujet Henri (je sens le "split" pointer), l'intérêt du "ravitaillement en vol" est-elle avérée ? Quelles seraient les meilleurs solutions de stockage de propergol en orbite, tu parlais d'eau qu'on electrolyserait ensuite ?

Steph a écrit:Puisque tu lances le sujet Henri (je sens le "split" pointer), l'intérêt du "ravitaillement en vol" est-elle avérée ? Quelles seraient les meilleurs solutions de stockage de propergol en orbite, tu parlais d'eau qu'on electrolyserait ensuite ?

Euh, c'est quoi le "split" ?
Sinon pour répondre, un engin dont le deuxième étage - y compris récupérable - se met en orbite, peut s'affranchir de la loi de Tsiolkovsky en se ravitaillant régulièrement sur la route via des stations d'électrolyse orbitales terreste, lunaires voire en orbite autour de Mars. L'énergie solaire est disponible en abondance entre 1 et 2 UA du soleil, et l'eau est beaucoup moins coûteuse à rapporter depuis un objet déjà dans l'espace (fragment cométaire ou fragment d'astéroide gelé) que depuis le fond du puit gravitationnel qu'est la surface terrestre. Maintenant, certains tirs d'une charge utile vers l'orbite LEO ne font pas le plein, et là aussi, on pourrait compléter le manifeste de la charge utile par un reliquat d'eau.

**Alpha** Messages : 729 Inscrit le : 05/01/2006 Age : 66 Localisation : Canada

Où est le problème, j'imaginais tout comme Henri de refaire le plein en orbite, soit une fois avant de quitté l'orbite terrestre et une autre fois avant de quitté l'orbite de la lune. Une fois les portes de la soute ouverte, il serait possible d'y greffé un réservoir de bonne dimension au dessus d'un mini atterrisseur conçu pour une mission de 24 heures sur le sol lunaire.

Est-il possible de construire un scaphandre utlilisable pendant 24 hrs consécutive si on prend soin de l'alimenté de façon périodique en énergie et oxygène par des réserves externe au scaphandre?

Avec l'utilisation de scaphandres a longue autonomie, l'atterrisseur n'a pas besoin de nacelle pressurisé habitable.

Mon manque de connaissance des lois de la physique spatial, laisse libre court a mon imagination. A vous de la freiné ou de l'alimenté! :geek:

Correctif : je viens de voir que mon ∆V était un petit peu optimiste et doit se détailler de la manière suivante :
3,27km/s pour l'injection en TLI + 1,05km/s pour insertion en orbite lunaire + 1,05km/s pour l'injection en retour vers la terre, ce qui nous fait un ∆V=5,37km/s au lieu de 4,5km/s d'ou une masse d'ergols de :
Mergols = (exp(5,37/4,5)-1)*Mfinale=298 tonnes d'ergols au lieu de 220 tonnes.
Maintenant avec une "navette" à deux étages comme j'en ai parlé plus haut dont les moteurs du deuxième étage sont optimisés pour le vide, on peut tabler sur une Isp de 470 s dans le vide et donc :
Mergols = (exp(5370/470/9,81)-1)*Mfinale=287 tonnes
(Ah cette sensibilité aux paramètres de l'exponentielle...)

Donc sans refueling en orbite lunaire, il faudrait faire le plein en LEO (et un coup de chiffon sur le parebrise).

Alpha a écrit:Où est le problème, j'imaginais tout comme Henri de refaire le plein en orbite, soit une fois avant de quitté l'orbite terrestre et une autre fois avant de quitté l'orbite de la lune. Une fois les portes de la soute ouverte, il serait possible d'y greffé un réservoir de bonne dimension au dessus d'un mini atterrisseur conçu pour une mission de 24 heures sur le sol lunaire.

Est-il possible de construire un scaphandre utlilisable pendant 24 hrs consécutive si on prend soin de l'alimenté de façon périodique en énergie et oxygène par des réserves externe au scaphandre?

Avec l'utilisation de scaphandres a longue autonomie, l'atterrisseur n'a pas besoin de nacelle pressurisé habitable.

Mon manque de connaissance des lois de la physique spatial, laisse libre court a mon imagination. A vous de la freiné ou de l'alimenté! :geek:

Malheureusement la navette actuelle est conçue de manière à perdre son réservoir externe (E.T.) juste avant d'atteindre son orbite en LEO, d'où impossibilité de réalimenter en orbite. Le réservoir greffable dont tu parles devrait emporter près de 290 tonnes d'ergols et être donc d'un volume égal à la moitié de l'E.T. et il faudrait le mettre en orbite en plus de la navette. Pour le scaphandre je ne connais pas la réponse à ta question.

Henri a écrit:En fait je crois qu'on sous-estime pas mal l'intérêt économique du "refueling" en orbite. Dans le cas de figure que j’ai décris tout à l’heure il n’y aurait comme surcoûts que la station orbitale d’électrolyse et l’atterrisseur à embarquer dans la soute de la navette. La question du rapport de masse devient secondaire quand on a des stations-services sur le chemin…

La glace d'eau est un excellent moyen de stockage, mais j'ai l'impression que l'électrolyse elle-même nécessiterait une centrale énergétique assez imposante si on veut des débits significatifs.
Compte tenu du rendement de l'électrolyse, on peut considérer qu'il faut au moins 300 GJ pour 1 t de H2. Une centrale solaire de 1 km² de 500 MW, produirait 6 t/h, mais une telle centrale pèserait plusieurs dizaines de milliers de tonnes. Une centrale solaire plus petite, avec un débit 10 fois plus faible, reste encore une structure assez imposante.
Un réacteur nucléaire de puissance équivalente serait bien moins massif.

A+

lambda0 a écrit:
Henri a écrit:En fait je crois qu'on sous-estime pas mal l'intérêt économique du "refueling" en orbite. Dans le cas de figure que j’ai décris tout à l’heure il n’y aurait comme surcoûts que la station orbitale d’électrolyse et l’atterrisseur à embarquer dans la soute de la navette. La question du rapport de masse devient secondaire quand on a des stations-services sur le chemin…

La glace d'eau est un excellent moyen de stockage, mais j'ai l'impression que l'électrolyse elle-même nécessiterait une centrale énergétique assez imposante si on veut des débits significatifs.
Compte tenu du rendement de l'électrolyse, on peut considérer qu'il faut au moins 300 GJ pour 1 t de H2. Une centrale solaire de 1 km² de 500 MW, produirait 6 t/h, mais une telle centrale pèserait plusieurs dizaines de milliers de tonnes. Une centrale solaire plus petite, avec un débit 10 fois plus faible, reste encore une structure assez imposante.
Un réacteur nucléaire de puissance équivalente serait bien moins massif.

A+

Vieux débat qui pourrait être tranché en faveur du photovoltaïque avec l'avènement possible des capteurs solaires souples déployables à faible masse par unité de surface. Il faudrait faire des recherches sur google à ce sujet, je crois bien avoir lu quelque chose à ce sujet. Maintenant s'il faut 300 tonnes d'ergols semaine (c'est à dire 50 t de H2) par exemple, cela représente 300kg de H2 par heure de production. Sans vérifier et en reprennant tes données un champ solaire de 220 m de coté suffirait. Tout résiderait dans la capacité d'alléger les capteurs solaires.

J'avais fait une recherche il y a quelques temps : un rapport NASA (je placerai la référence quand je l'aurais retrouvée) indique un objectif, à long terme (2020-2030), d'une masse spécifique de 2 kg/kW au niveau de l'orbite terrestre, avec des couches minces, ce qui est bien meilleur qu'un générateur nucléaire actuel. Cette centrale solaire de 500 MW aurait alors une masse de "seulement" 1000 t, ce qui devient praticable. La valeur de masse spécifique actuelle est 20 ou 30 fois plus élevée il me semble.
Mais parallèlement, on peut aussi faire des progrès sur les générateurs nucléaires et descendre en dessous de 0.5 kg/kW, également à long terme.

Dans tous les cas, on arrive quand même à des structures assez imposantes quand il s'agit de produire suffisamment de puissance pour avoir un débit intéressant. D'autant plus que je n'ai pas tenu compte de l'énergie nécessaire pour faire fondre la glace.

A+

lambda0 a écrit:J'avais fait une recherche il y a quelques temps : un rapport NASA (je placerai la référence quand je l'aurais retrouvée) indique un objectif, à long terme (2020-2030), d'une masse spécifique de 2 kg/kW au niveau de l'orbite terrestre, avec des couches minces, ce qui est bien meilleur qu'un générateur nucléaire actuel. Cette centrale solaire de 500 MW aurait alors une masse de "seulement" 1000 t, ce qui devient praticable. La valeur de masse spécifique actuelle est 20 ou 30 fois plus élevée il me semble.
Mais parallèlement, on peut aussi faire des progrès sur les générateurs nucléaires et descendre en dessous de 0.5 kg/kW, également à long terme.

Dans tous les cas, on arrive quand même à des structures assez imposantes quand il s'agit de produire suffisamment de puissance pour avoir un débit intéressant. D'autant plus que je n'ai pas tenu compte de l'énergie nécessaire pour faire fondre la glace.

A+

Tiens j'ai mis en ligne à cette adresse un p'tit fichier Excel qui résume le problème de la production d'ergols en orbite par voie photovoltaïque :
http://minilien.com/?djE1q8QLxb (Réapprovisionnement par centrale solaire à électrolyse.xls)
Pour 300t d'ergols par semaine j'arrive à une centrale solaire de 300 m de coté, à toi de jouer avec les paramêtres en italiques dans le fichier, tu peux vérifier si je ne me suis pas planté quelque part.

Henri a écrit:Euh, c'est quoi le "split" ?

Le split c'est ça, la division en un nouveau sujet ;)

**Alpha** Messages : 729 Inscrit le : 05/01/2006 Age : 66 Localisation : Canada

J'ai de la difficulté a vous suivre les gars. Bien que l'idée de fabriqué de l'hydrogène en orbite soit séduisante, je ne vois pas où serais l'économie. En effet, vous parlé de mettre en orbite une usine de plusieurs centaine de tonnes, pour ensuite faire suivre le complément de l'hydrogène pour produire une combustion ou une réaction chimique et ensuite partir a la chasse aux corps céleste qui contient de l'eau pour les ramener a la station de production. J'ai l'impression que vous allé épuisé l'hydrogène produite en orbite pour ramené de l'eau a l'usine.

Il faut combien de tonnes d'eau pour produire une tonne d'hydrogène?

Alpha:
L'idée est de constituer des stocks de propergol hydrogène+oxygène dans l'espace. Comme le stockage sous forme liquide (LH2 et LOX séparés) est difficile sur de longues périodes, le mieux est de conserver des blocs de glace, et de les faire fondre et électrolyser l'eau à la demande pour produire LH2 et LOX.
Mais on est bien d'accord qu'il faut brûler du propergol pour monter ces blocs de glace/eau liquide depuis la surface terrestre. Dans le cas où il s'agirait d'un bloc de glace provenant d'une autre région du système solaire, ce serait une partie de ce bloc qui serait éventuellement consommée pour dévier son orbite et l'amener au voisinage de la Terre ou de tout autre lieu d'utilisation.
Il se peut aussi qu'on ait la chance de trouver des blocs de glace au bon endroit : s'il y a de la glace sous la surface de Phobos (satellite de Mars), il peut y avoir une possibilité de fabrication de propergol sur place.
Il y a bien plusieurs scénarios possibles.
Pour ta dernière question, l'hydrogène constitue 1/9 de la masse de l'eau.

Henri:
J'avais considéré un rendement de 40% de l'électrolyse, (contre 70% dans ton calcul) ce qui était bien un peu pessimiste. Par contre, j'étais un peu plus optimiste sur le rendement des panneaux.
En prenant ta valeur de 300 t/semaine et la puissance électrique nécessaire P=14.5 MWe, on peut évaluer la masse de la centrale :

Solaire:
court terme: 50 kg/kWe => M=725 t
développement 2020: 2 kg/kWe => M=29 t

Nucléaire:
court terme: 10 kg/kWe => M=145 t (coeur solide, conversion Brayton)
développement 2020: 0.5 kg/kWe =>M=7.25 t (coeur gazeux, conversion MHD)

Que ce soit en solaire ou en nucléaire, on peut bien arriver à un dispositif de moins de 100 t en faisant de la R&D, si on se contente d'un débit modéré (une semaine pour produire les 300 t de propergol). On a plutôt intérêt à s'orienter vers le solaire pour des puissances ne dépassant pas quelques dizaines de MWe, et vers le nucléaire au dessus de 100 MWe.

A+

29 tonnes à l'horizon 2020 pour une puissance installée de 14 MWe, c'est remarquablement faible et mettable en orbite avec n'importe quel lanceur de satcoms.
Pour le rendement de l'électrolyse je l'ai trouvé là :
http://en.wikipedia.org/wiki/Electrolysis
Maintenant pour l'eau, à part compléter les manifestes de charges utiles incomplets avec de l'eau dans un réservoir complémentaire pour les lancements depuis la Terre, faire des tirs depuis le sol pour apporter uniquement de l'eau en orbite est une absurdité économique et énergétique ; la Terre est au fond d'un puit de potentiel gravitationnel. Par contre, rejoindre n'importe quelle orbite terrestre ou lunaire depuis la ceinture d'astéroides, un satellite de Mars ou la surface lunaire est beaucoup moins coûteux d'un point de vue énergétique.

Oui, expédier de l'eau depuis la surface terrestre n'est bien praticable qu'à petite échelle, éventuellement en complétant des charges utiles, ou au début pour valider le concept.

A bien y réfléchir, ce développement de stations de refueling permettrait aussi de "lancer" la propulsion électrique, qui bute sur le problème de la centrale énergétique, en mettant en commun les développements.
Il y a donc déjà au moins deux applications aux centrales électriques spatiales multiMW.

S'il y a de la glace sur Phobos ou Deimos, la centrale électrique qui sert à la propulsion pendant la phase de vol interplanétaire vers Mars peut être utilisée pour produire l'hydrogène nécessaire au retour, par électrolyse.
Il devient donc inutile d'installer sur place une centrale électrique permanente sur ces satellites.
La propulsion électrique peut très bien se prêter au refueling, en détournant l'énergie électrique pour cette opération.

On aurait bien toujours besoin de stations en orbite terrestre pour produire LOX+LH2 pour des vaisseaux à propulsion chimique, solution suffisante pour des vols Terre-Lune par exemple.
Ce développement serait repris pour concevoir la centrale énergétique des vaisseaux interplanétaires à propulsion électrique. Ces vaisseaux se réapprovisionneraient à travers le système solaire en détournant temporairement l'énergie électrique destinée à la propulsion pour produire H2 à partir de glace trouvée sur des astéroides, en faible gravité.

A+

EDIT:
En fait, le document suivant envisage même qu'on puisse peut-être descendre à 1 kg/kWe avec des panneaux en couches minces, par augmentation du rendement.
http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2000/TM-2000-210342.pdf

Voir aussi:
http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2001/TM-2001-211097.pdf
http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2002/TM-2002-211720.pdf

**Alpha** Messages : 729 Inscrit le : 05/01/2006 Age : 66 Localisation : Canada

Est ce qu'il existe un moteur de propulseur qui fonctionne uniquement a l'hydrogène ? Si non, cette façon de faire reste coûteux et utilisable pour une mission bien spécifique. Si oui, il serait en effet pratique de placé plusieurs station service prêt des objectifs futurs dont nous pourrions commandé le démarage de production une semaine d'avance. Car si il est possible de fabriqué de l'hydrogène avec le moteur de propulsion comme le mentionne Lambda 0, il y a autre chose que l'élément propulsant qui s'épuisent à bord d'un vaisseau habité. L'eau, l'oxygène, les denrées, alors si il est possible de sauvé le temps consacré a la fabrication d'hydrogène par les moteurs du vaisseau ça représente une économie de la charge utile.

Alpha a écrit:Est ce qu'il existe un moteur de propulseur qui fonctionne uniquement a l'hydrogène ?

Oui, des moteurs plasmiques en cours de développement, comme le VASIMR déjà décrit dans d'autres discussions, ou le moteur MPD/LFA. Mais ils nécessitent une centrale électrique, contrairement aux moteurs chimiques conventionnels.
D'où l'idée d'utiliser cette centrale électrique aussi pour les opérations de refueling par électrolyse. Au passage, même si l'oxygène n'est pas utilisé pour la propulsion dans ce cas, on peut en récupérer une partie pour d'autres usages.
Mais, évidemment, tout celà n'est intéressant que si on trouve de la glace en faible gravité, sur des satellites/asteroides.

A+

**Alpha** Messages : 729 Inscrit le : 05/01/2006 Age : 66 Localisation : Canada

Si je comprend bien, une station de fabrication d'hydrogène autonome placé sur la route des prochaines missions spatial, fournirait au voyageurs de l'hydrogène, de l'oxygène et de l'eau filtré (il faut la filtré sur la station pour ne pas endomagé le système d'électrolyse) et possiblement de l'électricité produite en surplus par les panneaux de la station. Car il faut que la station soit munie de sa propre centrale énergétique pour être autonome, car ce n'est pas tous les vaisseaux qui auront la capacité énergétique en surplus pour alimenté ce genre de station service. Imaginé un vaisseau en perdition qui manque d'oxygène et d'hydrogène et qui a perdu la moitié de sa capacité de production d'électricité qui se retrouve au côté d'une station qui n'est pas autonome. C' est comme mourir de soif dans un canot au milieu de la mer!

J'ai remis à jour le fichier Excel 'Réapprovisionnement par centrale solaire à électrolyse.xls' à :
http://minilien.com/?djE1q8QLxb
en tenant compte des nouvelles données sur les cellules photovoltaïques (puissance massique de 4000 W/kg, rendement 9,5%) autorisée par les cellules en couches minces de silicium amorphe dont j'ai publié le lien aujourd'hui. J'ai aussi rajouté dans le fichier une estimation de la masse du générateur électrique.

Nota bene : Paramètres modifiables du tableau Excel en italique gras.

Le plein, s'il vous plait !

Quelques considérations sur le réapprovisionnement en orbite :
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070002670_2007001592.pdf
(25 Mo)

Comment remplir un réservoir en apesanteur :
http://www.lockheedmartin.com/data/assets/13351.pdf

Comme la surface de la Terre est au fond d'un puits de potentiel gravitationnel énergétiquement coûteux à franchir, le réapprovisionnement en orbite serait surtout intéressant s'il était possible de faire parvenir de l'eau (ou de la glace) en LEO depuis la Lune, Mars, un astéroïde ou un fragment cométaire situé hors de ce puits gravitationnel. Avec des techniques d'aérocapture en LEO, le delta-V serait beaucoup plus modeste, que de satelliser de l'eau depuis la surface de la Terre. Une fois en LEO, une unité d'électrolyse à énergie solaire pourrait tranquillement produire LH2 & LOX, et on aurait plus dorénavant qu'à mettre en orbite des vaisseaux, sondes etc. aux réservoirs vides.
Ce serait un sujet à creuser à mon avis...

EDIT : mais après avoir relu le fil de discussion, je crois bien que je radote. :P

Un dernière idée : on a discuté à plusieurs reprises sur ce forum de techniques de mises en orbites bon marché (accélérateurs électriques et autres) dont les fortes accélérations sont inadaptées aux cargaisons fragiles et aux équipages, mais pas à des matériaux inertes comme l’eau ou la glace…
La mise en orbite (couteuse) par lanceurs conventionnels serait ainsi réservée à des vaisseaux (habités ou non) sans ergols tandis que les techniques "brutales" de mise en orbite seraient réservées à de l’eau ou de la glace qui après électrolyse en orbite servirait à faire le plein des vaisseaux. L’opération pourrait être rentable puisque plus des quatre cinquièmes de la masse d’un étage supérieur destiné à l’injection en GTO, TLI, ou interplanétaire est constitué d’ergols.
Encore une idée à creuser... :)

Alpha a écrit:Est ce qu'il existe un moteur de propulseur qui fonctionne uniquement a l'hydrogène ? Si non, cette façon de faire reste coûteux et utilisable pour une mission bien spécifique. Si oui, il serait en effet pratique de placé plusieurs station service prêt des objectifs futurs dont nous pourrions commandé le démarage de production une semaine d'avance. Car si il est possible de fabriqué de l'hydrogène avec le moteur de propulsion comme le mentionne Lambda 0, il y a autre chose que l'élément propulsant qui s'épuisent à bord d'un vaisseau habité. L'eau, l'oxygène, les denrées, alors si il est possible de sauvé le temps consacré a la fabrication d'hydrogène par les moteurs du vaisseau ça représente une économie de la charge utile.

Ce n'est que sur papier depuis presque 30-40 ans maintenant, mais il y a les moteurs nucléaires fonctionnant à l'hydrogène : Il y a eu dans les années 60, le Kiwi A et B de construit.
http://jpcolliat.free.fr/lune/nerva_1.htm

Henri a écrit:Un dernière idée : on a discuté à plusieurs reprises sur ce forum de techniques de mises en orbites bon marché (accélérateurs électriques et autres) dont les fortes accélérations sont inadaptées aux cargaisons fragiles et aux équipages, mais pas à des matériaux inertes comme l’eau ou la glace…
La mise en orbite (couteuse) par lanceurs conventionnels serait ainsi réservée à des vaisseaux (habités ou non) sans ergols tandis que les techniques "brutales" de mise en orbite seraient réservées à de l’eau ou de la glace qui après électrolyse en orbite servirait à faire le plein des vaisseaux. L’opération pourrait être rentable puisque plus des quatre cinquièmes de la masse d’un étage supérieur destiné à l’injection en GTO, TLI, ou interplanétaire est constitué d’ergols.
Encore une idée à creuser... :)

Ca pourrait être quand même un marché pour des lanceurs "low-cost" comme Falcon et autres dont la fiabilité reste à démontrer : étant donné que la charge utile n'a pas de valeur, un échec a moins de conséquence, et ils peuvent ainsi améliorer progressivement leur lanceur jusqu'à atteindre le niveau de fiabilité requis pour lancer des charges plus coûteuses.
Mais bon, ce serait assez provisoire, il vaut mieux effectivement essayer de voir ce qu'on peut faire avec des techniques plus rustiques.
Après, petit détail technique, il faut voir comment on fait pour le rendez-vous des blocs de glace avec la station...

doublemexpress a écrit:[ on]
Creuse l'ami, creuse, et pourvu que tu trouve de l'eau et pas du pétrole !
Henri a écrit:...Ce serait un sujet à creuser à mon avis...
[ off]

Excellente idée !
Si Phobos et Deimos sont des astéroides carbonacés, on peut creuser, et on devrait pouvoir y synthétiser des hydrocarbures :P

Mar 4 Avr 2006 - 20:40

Mar 4 Avr 2006 - 21:01

Mar 4 Avr 2006 - 21:49

Mar 4 Avr 2006 - 23:15

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Mer 5 Avr 2006 - 0:19

Mer 5 Avr 2006 - 9:40

Mer 5 Avr 2006 - 16:09

Mer 5 Avr 2006 - 16:27

Mer 5 Avr 2006 - 19:17

Mer 5 Avr 2006 - 19:24

Jeu 6 Avr 2006 - 0:28

Jeu 6 Avr 2006 - 8:37

Jeu 6 Avr 2006 - 10:29

Jeu 6 Avr 2006 - 11:01

Jeu 6 Avr 2006 - 22:11

Ven 7 Avr 2006 - 8:02

Sam 8 Avr 2006 - 16:45

Lun 15 Mai 2006 - 22:37

Mer 7 Fév 2007 - 9:01

Mer 7 Fév 2007 - 23:53

Jeu 8 Fév 2007 - 0:26

Jeu 8 Fév 2007 - 7:49

Jeu 8 Fév 2007 - 9:06

Jeu 8 Fév 2007 - 12:20