La rotation d'une capsule lors de la rentrée atmosphérique

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Bonjour,
Je me demandais ceci: 
Si lors de la rentrée atmosphérique une capsule (avec un centre de masse décalé pour produire de la portance) ne produit aucune poussée rcs, la capsule roulera-t-elle naturellement ? et pourquoi ?

Merci!
centauri
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Oui, c'est comme ça sur les Soyouz dans les rentrées dites balistiques suite à un pb d'orientation ou à un pb de rétropropulsion. Ce n'est pas confortable pour l'équipage, mais cela revient sur Terre en un seul morceau.
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Merci Astro-notes

Comment aérodynamiquement parlant, la capsule peut tourner sur elle-même alors qu'aucune poussée rcs n'est faite? D'où vient la force qui la fait rouler?
centauri
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centauri a écrit:Bonjour,
Je me demandais ceci: 
Si lors de la rentrée atmosphérique une capsule (avec un centre de masse décalé pour produire de la portance) ne produit aucune poussée rcs, la capsule roulera-t-elle naturellement ? et pourquoi ?

Merci!
Il me semble que, a partir du moment où le centre de gravité est légèrement décalé donc le foyer de la résultante aérodynamique la capsule doit en principe naturellement se positionner centre de gravité en bas, et y rester si aucune autre force n'est appliquée par les RCS ?

Le bouclier thermique ayant une forme de cône parfait, il ne génère pas de dysmétrie aérodynamique, donc si son centre de gravité est au centre du cône, comme si il se tiendrait droit sur une surface plane ou dans l'eau, il rentrerait sans correction possible même en le faisant tourner sur son axe.

Cela veut donc dire que si on veut tenir un axe et une pente, on est obligé de faire tourner la capsule sans cesse sinon elle déviera en permanence de son côté le plus lourd !

Et ce qui fait tourner la capsule ce sont les nombreux RCS disposés sur le flanc du vaisseau, ils impriment une force qui oriente la capsule pour le pilotage du point d’aboutissement prévu dans le pacifique.
Montgomery
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Bonjour,  
J'avoue avoir de la difficulté à comprendre pourquoi le centre de gravité de la capsule doit se placer vers le bas
centauri
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centauri a écrit:Bonjour,  
J'avoue avoir de la difficulté à comprendre pourquoi le centre de gravité de la capsule doit se placer vers le bas
En fait, le centre de gravité ne se déplace pas, il est simplement légèrement décalé par construction, c'est à dire que le foyer aérodynamique n'est pas en centre du cône la capsule à tendance à "tirer" du côté le plus lourd elle n'est plus neutre comme une sphère parfaitement équilibrée.
C'est grâce à cette légère dissymétrie de portance aérodynamique que l'on peut la diriger en la faisant tourner sur son axe, donc en déplaçant la partie la plus lourde vers la direction souhaitée !
Si la partie la plus lourde est orientée vers le bas, la finesse diminue puisque l'incidence augmente la trajectoire se raccourcie la rentrée est plus pentue, si cette partie plus lourde est en haut, l'incidence diminue la finesse augmente, le bouclier plane plus sur les couches denses et la trajectoire s'allonge.
Idem pour les corrections gauches ou droites.
Mais le décalage du centre de masse de la capsule implique de la faire tourner sans cesse si on veut garder une trajectoire la plus rectiligne possible...
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Montgomery a écrit:Il me semble que, a partir du moment où le centre de gravité est légèrement décalé donc le foyer de la résultante aérodynamique la capsule doit en principe naturellement se positionner centre de gravité en bas, et y rester si aucune autre force n'est appliquée par les RCS ?
Bonjour, 
En fait ce que j'ai de la difficulté à comprendre c'est pourquoi la capsule doit en principe se positionner naturellement centre de gravité vers le bas si aucune force n'est appliquée par les rcs.
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Peut-être la gravité terrestre  sensible à cette distance du sol (?). FB_reflechi
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centauri a écrit:
Montgomery a écrit:Il me semble que, a partir du moment où le centre de gravité est légèrement décalé donc le foyer de la résultante aérodynamique la capsule doit en principe naturellement se positionner centre de gravité en bas, et y rester si aucune autre force n'est appliquée par les RCS ?
Bonjour, 
En fait ce que j'ai de la difficulté à comprendre c'est pourquoi la capsule doit en principe se positionner naturellement centre de gravité vers le bas si aucune force n'est appliquée par les rcs.
En fait, lorsque la capsule est en contact avec les couches denses de l’atmosphère, elle se comporte comme toute surface portante et donc se positionne selon sa résultante aérodynamique qui est liée au centrage du vaisseau.
Pour illustrer le propos, on peut comparer çà à avion réel ou en papier en vol plané.
Selon son centrage arrière ou avant il prendra une position dans le fluide visqueux de notre atmosphère à piquer ou à cabrer selon son foyer aérodynamique qui est directement lié au centrage de l’aéronef.
Les forces en question sont celles du poids de la machine de la gravité terrestre et de la résultante aérodynamique des surfaces portantes qui s’y opposent.
Donc le vaisseau sans force appliquée par les RCS va se positionner selon son foyer aérodynamique donc en fonction de la répartition des masses à bord, donc la partie la plus lourde vers le bas puisqu’il n’y a pas de dissymétrie de portance sur la demi-sphère du bouclier thermique. La demi-sphère étant neutre aérodynamique ment seul le centrage du vaisseau peut modifier son attitude dans le fluide.
J'espère que c'est compréhensible ?
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La rotation d'une capsule lors de la rentrée atmosphérique Empty rotation capsule

Message Jeu 12 Jan 2023 - 10:28


Bonjour à tous 
la rotation d une capsule lors de sa rentrée atmosphérique me laisse songeur
sur toutes les photos de capsules récupérées on voit nettement qu un des cotés est nettement plus brulé que l autre coté 
si la capsule tournait sur elle même pendant sa descente elle serait rôtie de façon homogène
d autre par j imagine mal des passagers mis en rotation tout en subissant plusieurs G de décélération
il y a la quelque chose qui m échappe
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hector 45
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Peut-être que comme le disait Napoléon "un bon croquis vaut mieux qu'un long discours" ?

J'avoue en effet avoir un peu de mal à comprendre ce mécanisme.
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hector 45 a écrit:Bonjour à tous 
la rotation d une capsule lors de sa rentrée atmosphérique me laisse songeur
sur toutes les photos de capsules récupérées on voit nettement qu un des cotés est nettement plus brulé que l autre coté 
si la capsule tournait sur elle même pendant sa descente elle serait rôtie de façon homogène
d autre par j imagine mal des passagers mis en rotation tout en subissant plusieurs G de décélération
il y a la quelque chose qui m échappe
Il suffit de regarder l'enregistrement vidéo à la minute 53, réalisé de l'intérieur de la capsule Artemis on voit bien des rotation assez rapides bord sur bord de presque 90°, rotations imprimées par les RCS pour le pilotage du vaisseau par le calculateur de bord pour affiner le point de rendez vous prévu.

https://www.youtube.com/watch?v=EWuEXxNpfbY&t=57s
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Clg_55 a écrit:Peut-être que comme le disait Napoléon "un bon croquis vaut mieux qu'un long discours" ?

J'avoue en effet avoir un peu de mal à comprendre ce mécanisme.

C'est la même méthode que pour les capsules Apollo seul moyen économique de piloter la trajectoire de rentrée atmosphérique.
Les occupants étant au centre du vaisseau ils ne subissent pas d'accélération angulaires importantes ce doit être jugé supportable depuis des lustres apriori.


https://www.dropbox.com/s/vbe7ol9y2nwjj73/Orion%20rotation.jpg?dl=0
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Montgomery a écrit:
centauri a écrit:Bonjour,  
J'avoue avoir de la difficulté à comprendre pourquoi le centre de gravité de la capsule doit se placer vers le bas
En fait, le centre de gravité ne se déplace pas, il est simplement légèrement décalé par construction, c'est à dire que le foyer aérodynamique n'est pas en centre du cône la capsule à tendance à "tirer" du côté le plus lourd elle n'est plus neutre comme une sphère parfaitement équilibrée.
C'est grâce à cette légère dissymétrie de portance aérodynamique que l'on peut la diriger en la faisant tourner sur son axe, donc en déplaçant la partie la plus lourde vers la direction souhaitée !
Si la partie la plus lourde est orientée vers le bas, la finesse diminue puisque l'incidence augmente la trajectoire se raccourcie la rentrée est plus pentue, si cette partie plus lourde est en haut, l'incidence diminue la finesse augmente, le bouclier plane plus sur les couches denses et la trajectoire s'allonge.
Idem pour les corrections gauches ou droites.
Mais le décalage du centre de masse de la capsule implique de la faire tourner sans cesse si on veut garder une trajectoire la plus rectiligne possible...
Donc il y a un élément mobile lourd dans la capsule, qui doit tourner autour de la base lorsqu'on souhaite pivoter la capsule ? Un peu comme du lest dans une voiture de course, mais qu'on pourrait déplacer en fonction de la phase d'accélération ou de freinage, et de la direction du virage ?
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tntn77 a écrit:
Montgomery a écrit:
En fait, le centre de gravité ne se déplace pas, il est simplement légèrement décalé par construction, c'est à dire que le foyer aérodynamique n'est pas en centre du cône la capsule à tendance à "tirer" du côté le plus lourd elle n'est plus neutre comme une sphère parfaitement équilibrée.
C'est grâce à cette légère dissymétrie de portance aérodynamique que l'on peut la diriger en la faisant tourner sur son axe, donc en déplaçant la partie la plus lourde vers la direction souhaitée !
Si la partie la plus lourde est orientée vers le bas, la finesse diminue puisque l'incidence augmente la trajectoire se raccourcie la rentrée est plus pentue, si cette partie plus lourde est en haut, l'incidence diminue la finesse augmente, le bouclier plane plus sur les couches denses et la trajectoire s'allonge.
Idem pour les corrections gauches ou droites.
Mais le décalage du centre de masse de la capsule implique de la faire tourner sans cesse si on veut garder une trajectoire la plus rectiligne possible...
Donc il y a un élément mobile lourd dans la capsule, qui doit tourner autour de la base lorsqu'on souhaite pivoter la capsule ? Un peu comme du lest dans une voiture de course, mais qu'on pourrait déplacer en fonction de la phase d'accélération ou de freinage, et de la direction du virage ?
Non, ce serait trop compliqué et trop lourd, le centre de gravité de la capsule est légèrement décalé par construction, c'est à dire que poser sur une surface plane ou sur l'eau la demi sphère du bouclier ne serait pas tout à fait horizontale, disons que dans une piscine elle pencherait légèrement du couté le plus lourd.
Ce sont les RCS qui font tourner la capsule sur son axe de manière à mettre le centre de gravité du côté ou l'on veut corriger la trajectoire.
Montgomery
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Montgomery a écrit:En fait, lorsque la capsule est en contact avec les couches denses de l’atmosphère, elle se comporte comme toute surface portante et donc se positionne selon sa résultante aérodynamique qui est liée au centrage du vaisseau.
Pour illustrer le propos, on peut comparer çà à avion réel ou en papier en vol plané.
Selon son centrage arrière ou avant il prendra une position dans le fluide visqueux de notre atmosphère à piquer ou à cabrer selon son foyer aérodynamique qui est directement lié au centrage de l’aéronef.
Les forces en question sont celles du poids de la machine de la gravité terrestre et de la résultante aérodynamique des surfaces portantes qui s’y opposent.
Donc le vaisseau sans force appliquée par les RCS va se positionner selon son foyer aérodynamique donc en fonction de la répartition des masses à bord, donc la partie la plus lourde vers le bas puisqu’il n’y a pas de dissymétrie de portance sur la demi-sphère du bouclier thermique. La demi-sphère étant neutre aérodynamique ment seul le centrage du vaisseau peut modifier son attitude dans le fluide.
J'espère que c'est compréhensible ?
Merci Montgomery!

Je pense comprendre

Si j'ai bien compris, en imaginant une capsule (avec centre de masse décalé) sur une trajectoire à environ 45 degrés qui traverse l'atmosphère mais au lieu de se diriger du ciel vers le sol, se dirigerait du sol vers le ciel, dans cette situation si aucune force est appliquée par les rcs la capsule se positionnerait naturellement avec son centre de masse (coté le plus lourd) vers le haut (vers le ciel). Est-ce correct?
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centauri a écrit:Merci Montgomery!

Je pense comprendre

Si j'ai bien compris, en imaginant une capsule (avec centre de masse décalé) sur une trajectoire à environ 45 degrés qui traverse l'atmosphère mais au lieu de se diriger du ciel vers le sol, se dirigerait du sol vers le ciel, dans cette situation si aucune force est appliquée par les rcs la capsule se positionnerait naturellement avec son centre de masse (coté le plus lourd) vers le haut (vers le ciel). Est-ce correct?
Désolé mais je comprends pas comment une capsule non propulsée pourrait avec une trajectoire de 45° en montée donc par rapport à la surface d'une planète avec atmosphère ?
Cela voudrait dire qu'elle a été propulsée et quelle ferait une trajectoire balistique ?
Je ne comprends pas l’attitude décrite ?
Enfin, même si cela était le cas, sans forces correctrice le centre de gravité se placerait également vers le bas du côté de l'attraction de l'astre !
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Montgomery a écrit:Cela voudrait dire qu'elle a été propulsée et quelle ferait une trajectoire balistique ?
Oui.
Enfin, même si cela était le cas, sans forces correctrice le centre de gravité se placerait également vers le bas du côté de l'attraction de l'astre !
Je pensais avoir compris mais je constate que non.
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C'est curieux ce problème soulevé par Centauri & Montgomry concernant l'auto tenue d'attitude des vaisseaux tronc de cone pendant la rentrée atmosphérique. Je me souviens (il y a longtemps) que nous nous étions posés la même question pour les vaisseaux Soyouz (rentrée à l'envers) et finalement si j'avais admis que c'était bon, je n'avais pas assez creusé pour comprendre. Pour moi disons que c'était "magique" et cela allait très bien. Ben non, le problème est toujours là !  FB_oh
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centauri a écrit:
Montgomery a écrit:Cela voudrait dire qu'elle a été propulsée et quelle ferait une trajectoire balistique ?
Oui.
Enfin, même si cela était le cas, sans forces correctrice le centre de gravité se placerait également vers le bas du côté de l'attraction de l'astre !
Je pensais avoir compris mais je constate que non.
Si on pose une capsule parfaitement équilibrée, donc tout aussi parfaitement neutre au niveau aérodynamique (demi-sphère) dans une piscine couverte, elle sera parfaitement droite sur l’eau, son centre de gravité est donc parfaitement aligné avec le foyer aérodynamique de la demi-sphère, l’axe traversant la capsule passe par son Centre des Masses.

Comme cette demi sphère est neutre dans le fluide visqueux de l’atmosphère, on peut toujours la faire tourner sur sa trajectoire de rentrée il ne se passera rien puisque il n’y a aucune dysmétrie de portance sur une sphère, celle en fait du bouclier thermique, donc impossible de la diriger sur une trajectoire définie.

Si cette même capsule est dotée par construction d’un centre de gravité décalé, elle ne sera plus horizontale sur l’eau de la piscine, elle penchera du côté le plus lourd, c’est la même chose dans l’atmosphère, le léger déséquilibre de masse crée une légère dysmétrie d’incidence de la demi-sphère et l’engin « tire » du côté ou le poids est le plus important.

Alors si on dirige le coté le plus « lourd » vers la direction souhaitée la capsule dérive du côté voulu et ce sont les RCS qui font tourner très rapidement et souvent la capsule pour orienter le côté le plus lourd du côté de la correction de trajectoire souhaitée.

C’est un peu à comparer, toute proportion gardée bien entendu à un surfer sur sa planche, il se décale le centre de gravité de son surf en se déplaçant dessus d’avant en arrière et sur les côtés de cette manière il modifie la résultante hydrodynamique et le surf devient dirigeable…

Le dessin d'une capsule neutre aérodynamiquement :

La rotation d'une capsule lors de la rentrée atmosphérique Wlpms1
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