Titan Explorer

Ne pas oublier le poids de l'habitude. Cela fait tellement longtemps que l'hydrogène est banni des aérostats sur la Terre, qu'aucun responsable de programme spatial n'a envi de se casser la tête à justifier son usage dans un aérostat face à un public (politiques compris) qui ne comprendra pas que dans ce cas de figure c'est le meilleur choix... (Un peu la même problématique idéologique que la propulsion nucléaire dans l'espace.)

Une remarque intéressante, un aérodyne (hélicoptère, avion) survolant Titan aurait du carburant à profusion dans l'atmosphère de Titan, mais devrait embarquer le comburant (oxygène par exemple)...

Henri a écrit:Une remarque intéressante, un aérodyne (hélicoptère, avion) survolant Titan aurait du carburant à profusion dans l'atmosphère de Titan, mais devrait embarquer le comburant (oxygène par exemple)...

Grrr... Tu me coiffes sur le poteau, à ton tour - :wall: je voulais aborder cela...mais bon j'étais occupé avec ce combat H₂ contre He ;)
Effectivement je voulais aussi soulever le problème de la source d'énergie - et en dehors du nucléaire, je voyais aussi cette possibilité d'utiliser la réaction d'oxydoréduction entre le méthane et le dioxygène.
Comme comburant le dioxygène en effet semble le plus approprié car le difluor pose de sacrés problèmes de stockage vu son agressivité chimique.

Henri a écrit:Ne pas oublier le poids de l'habitude. Cela fait tellement longtemps que l'hydrogène est banni des aérostats sur la Terre, qu'aucun responsable de programme spatial n'a envi de se casser la tête à justifier son usage dans un aérostat face à un public (politiques compris) qui ne comprendra pas que dans ce cas de figure c'est le meilleur choix... (Un peu la même problématique idéologique que la propulsion nucléaire dans l'espace.)

Effectivement c'est bien difficile d'expliquer pourquoi après l'abandon sur la Terre du gonflage au dihydrogène pour les ballons, on le préconise de nouveau ailleurs.
Et que l'on peut innover en reprenant des recettes du passé - mais dans un autre contexte ...et pourtant c'est bien le cas de la fusée - qui existait bien avant le moteur à piston :)

Henri a écrit:Une remarque intéressante, un aérodyne (hélicoptère, avion) survolant Titan aurait du carburant à profusion dans l'atmosphère de Titan, mais devrait embarquer le comburant (oxygène par exemple)...

La possibilité théorique existe ... mais AMHA pour des missions aussi complexes, longues et couteuses, on privilégiera l'autonomie complète. La sonde partira avec tout le nécessaire au fonctionnement à son bord et les solutions les plus fiables possibles car maitrisées de bout en bout. (apparemment RTG de 2ème génération et propulsion électrique)
Capter du méthane (le filtrer de ses poussières ? le purifier d'impuretés diverses et variées ?? et faire réagir cela dans un moteur ? réacteur ? dont on devrait maitriser les régimes au quart de poil, cela me parait hautement risqué.

Bien sûr on en sera quite à devoir le payer en terme de payload. Mais cela finalement se résout avec un lanceur plus puissant ... ce sont des techniques terrestres et plutôt bien maitrisées (avec une Ares 5 fut-elle lite .... on n'aura pas trop de limitation en terme de volume et de payload : orbiteur, ballon, sous-marin etc ... tout tient sans problème)

Le moteur Stirling très robuste peut accepter n’importe quel type de combustible –même impur- et donc l’atmosphère de Titan – dont la composition est quant-même connue dans ses grandes lignes – pourrait convenir. Cela permettrait d’augmenter grandement l’autonomie d’un engin propulsé en embarquant que le comburant . De plus le rendement serait excellent avec comme source froide l'atmosphère glaciale de Titan.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_Stirling

On lit dans l'article Wikipedia sur le Stirling :

La Nasa l'a étudié pour fournir de l'énergie aux satellites et sondes spatiales
car son rendement est meilleur que les panneaux solaires. Mais la
fiabilité des panneaux solaires (ne comportant pas de pièces mobiles,
leurs risques de pannes sont moindres que celles d'un moteur) les fait
souvent préférer.

Solution qui serait donc sans doute à tester ..... car il faut une fiabilité sans faille .... mais où ? Il faut reconstituer une atmosphère titanesque ? Je ne sais pas si les cycles de dilatation d'un piston dans une chambre de compression c'est top .... avec les conditions de température extérieure ???

Mais en l'état actuel de l'étude d'une telle mission, on privilégiera sans doute une solution électrique (le RTG est hyper-fiable et sur une longue durée) ?
Quel type de propulsion électrique ? c'est une bonne question ? (rotation d'hélices ? réaction avec un compresseur et éjection de gaz ? ou ???? )

Le problème des RTG, c’est que jusque maintenant ils ne produisent que de faibles puissances électriques et qu’ils sont lourds. Si on opte pour la solution du dirigeable, cela devrait pouvoir convenir à la limite – mais un avion et pire un hélicoptère : cela parait difficile.
http://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator

Une chose est vrai, beaucoup de technos ont nécessité de gros investissements en R&D avant d'être opérationnelles, et on hésite à faire ces investissements pour un seul et unique exemplaire (1 machine dans l'atmosphère ou dans les océans de Titan par exemple). Résultat on hésite à sortir des sentiers battus s'il n'y a pas une perspective de séries derrière... La propulsion ionique n'aurait jamais été développée pour n'assurer la propulsion que d'une seule et unique sonde, elle l'a été parce qu'elle était applicable à une multitude de missions. (y compris la mise à poste GEO de satcoms).
On peut aussi se dire que les atmosphères de la quasi-totalité des planètes géantes sont réductrices, et que développer un moteur stockant son comburant et extrayant son carburant de l'atmosphère environnante pourra être utilisé dans une multitude de missions dans les atmosphères des planètes géantes... Maintenant il y aurait à chaque fois des particularités du carburant atmosphérique, ici plutôt du méthane, là plutôt de l'hydrogène, et ailleurs plutôt de l'ammoniac...

Henri a écrit:Une chose est vrai, beaucoup de technos ont nécessité de gros investissements en R&D avant d'être opérationnelles, et on hésite à faire ces investissements pour un seul et unique exemplaire (1 machine dans l'atmosphère ou dans les océans de Titan par exemple). Résultat on hésite à sortir des sentiers battus s'il n'y a pas une perspective de séries derrière... La propulsion ionique n'aurait jamais été développée pour n'assurer la propulsion que d'une seule et unique sonde, elle l'a été parce qu'elle était applicable à une multitude de missions. (y compris la mise à poste GEO de satcoms).
On peut aussi se dire que les atmosphères de la quasi-totalité des planètes géantes sont réductrices, et que développer un moteur stockant son comburant et extrayant son carburant de l'atmosphère environnante pourra être utilisé dans une multitude de missions dans les atmosphères des planètes géantes... Maintenant il y aurait à chaque fois des particularités du carburant atmosphérique, ici plutôt du méthane, là plutôt de l'hydrogène, et ailleurs plutôt de l'ammoniac...

Effectivement. Si on veut envisager un jour l’exploration in situ des atmosphères des planètes géantes, l’emploi des ballons sera inutile puisque leur atmosphère a pratiquement la densité du gaz dihydrogène et qu’il n’existe aucun gaz de densité inférieure. En conséquence la poussée d’Archimède ne dépassera jamais le poids. Alors seule la solution de l’avion parait envisageable d’où la nécessité de développer un moteur fonctionnant en atmosphère réductrice.

En tout cas la solution de l’avion – ou de l’hélicoptère serait très envisageable vu la faible de gravité de Titan – 0,14g - et sa pression atmosphérique élevée égale à 1,5 fois celle de la Terre. Malgré cela la puissance massique d’un RTG serait quant-même trop faible; mais par contre un moteur thermique à combustion pourrait assurer la motorisation sans peine.

Giwa a écrit:
Effectivement. Si on veut envisager un jour l’exploration in situ des atmosphères des planètes géantes, l’emploi des ballons sera inutile puisque leur atmosphère a pratiquement la densité du gaz dihydrogène et qu’il n’existe aucun gaz de densité inférieure. En conséquence la poussée d’Archimède ne dépassera jamais le poids.
...

On arrive bien à voler dans l'atmosphère terrestre avec des ballons gonflés d'air chaud...

lambda0 a écrit:

Giwa a écrit:
Effectivement. Si on veut envisager un jour l’exploration in situ des atmosphères des planètes géantes, l’emploi des ballons sera inutile puisque leur atmosphère a pratiquement la densité du gaz dihydrogène et qu’il n’existe aucun gaz de densité inférieure. En conséquence la poussée d’Archimède ne dépassera jamais le poids.
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On arrive bien à voler dans l'atmosphère terrestre avec des ballons gonflés d'air chaud...

Joseph-Michel & Jacques-Étienne ont dû se retourner dans leurs tombes... :face:

lambda0 a écrit:

Giwa a écrit:
Effectivement. Si on veut envisager un jour l’exploration in situ des atmosphères des planètes géantes, l’emploi des ballons sera inutile puisque leur atmosphère a pratiquement la densité du gaz dihydrogène et qu’il n’existe aucun gaz de densité inférieure. En conséquence la poussée d’Archimède ne dépassera jamais le poids.
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On arrive bien à voler dans l'atmosphère terrestre avec des ballons gonflés d'air chaud...

Effectivement :oops: si on réchauffe le dihydrogène à l'intérieur du ballon sa masse volumique (mais non sa densité ;) ) sera inférieure au dihydrogène présent à l'extérieur et la poussée d'Archimède dépassera le poids du gaz à l'intérieur et de l'enveloppe .J'ai donc été excessif dans mes propos...toutefois ;) le gain devient de plus en plus faible avec des gaz de faible densité car la masse de l'enveloppe et du matériel embarqué compte de plus en plus par rapport à la masse du fluide déplacé.
La composante de la force ascensionnelle est égale à gV ( a _e -a _i) -gm où g est la constante de pesanteur, V- le volume déplacé,a _e et a _i ), les masses volumiques des gaz à l'extérieur et à l'intérieur, et m, la masse du matériel.
Pour assurer une portance suffisante avec une montgolfière à hydrogène dans une atmosphère d'hydrogène, il faut alors un très grand volume car même en chauffant énormément la masse volumique du gaz chaud déjà faible ne peut tendre que vers celle du vide, c'est à dire 0 et a _e -a _i ) tendra vers a _e . La portance peut redevenir suffisante qu'à condition de s'enfoncer dans les couches denses de l'atmosphère, mais avec une température très élevée du gaz interne...pas évident ! La solution de l'avion me parait alors plus économe en énergie.

Pour être plus rigoureux dans mes explications et pour les fans d'équations, voilà: :)

La masse volumique d’un gaz parfait est donnée par:a=R. (P/ T). M avec R , constante des gaz parfaits ; P, pression du gaz ; M, masse molaire

La composante ascensionnelle sera en supposant la pression interne proche de la pression externe P et les deux gaz de même masse molaire M:
R.g.V.P.M.(1/Te - 1/Ti ) - m.g avec Te, température absolue externe et Ti, température absolue interne, g,constante de pesanteur et m, masse de l'enveloppe et du matériel

On constate donc que dans les mêmes conditions, la poussée ascensionnelle est proportionnelle à la masse molaire M et a pour limite si on fait croître indéfiniment la température interne :

R.g.V.P. M /Te - m.g

On en conclue que c'est dans une atmosphère de dihydrogène qu'une montgolfière serait la moins efficace.
Si on prend pour masse molaire moyenne de l'air : 29 g/mol, une montgolfière dans une atmosphère de dihydrogène serait 29/2 soit plus de 14 fois moins efficace.

Et pire encore, si m.g est supérieur à R.g.V.P. M /Te...la montgolfière ne pourra que plonger...ce qui est fort possible à moins de trouver des matériaux ultralégers et résistants. :affraid:

lambda0 a écrit:

Giwa a écrit:
Effectivement. Si on veut envisager un jour l’exploration in situ des atmosphères des planètes géantes, l’emploi des ballons sera inutile puisque leur atmosphère a pratiquement la densité du gaz dihydrogène et qu’il n’existe aucun gaz de densité inférieure. En conséquence la poussée d’Archimède ne dépassera jamais le poids.
...

On arrive bien à voler dans l'atmosphère terrestre avec des ballons gonflés d'air chaud...

Ah, bonne question :!:

Giwa a écrit:Pour être plus rigoureux dans mes explications et pour les fans d'équations, voilà: :)

On en conclue que c'est dans une atmosphère de dihydrogène qu'une montgolfière serait la moins efficace.
Si on prend pour masse molaire moyenne de l'air : 29 g/mol, une montgolfière dans une atmosphère de dihydrogène serait 29/2 soit plus de 14 fois moins efficace.

Ah, bonne réponse :!: Bon, la j'énerve alors je sors

Astro-notes a écrit:

Giwa a écrit:Pour être plus rigoureux dans mes explications et pour les fans d'équations, voilà: :)

On en conclue que c'est dans une atmosphère de dihydrogène qu'une montgolfière serait la moins efficace.
Si on prend pour masse molaire moyenne de l'air : 29 g/mol, une montgolfière dans une atmosphère de dihydrogène serait 29/2 soit plus de 14 fois moins efficace.

Ah, bonne réponse :!: Bon, la j'énerve alors je sors

J'ai rajouté un additif à mon post pour t'énerver un peu plus ...je rigole ;) ...et je ris aux éclats ...Ah,non...ce n'est plus de ce siècle , on doit dire megalol :megalol:

Et pire encore, si m.g est supérieur à R.g.V.P. M /Te...la montgolfière ne pourra que plonger...ce qui est fort possible à moins de trouver des matériaux ultralégers et résistants. :affraid:

Pour revenir à Titan, ceci n'est pas très encourageant pour l'option montgolfière. En effet en supposant l'atmosphère uniquement constituée de méthane CH ₄ pour simplifier le raisonnement, la masse molaire sera de 16 g/mol donc un peu plus de la moitié de 29 g /mol: donc elle serait deux fois moins efficace que sur la Terre. Le mieux reste la Charlière - quant même aussi moins efficace que sur la Terre.
La faible pesanteur de Titan n'a d'ailleurs aucune influence sur la masse que puisse transporter ces engins basés sur la poussée d'Archimède puisque la poussée d'Archimède est proportionnelle à la constante de pesanteur comme le poids.
Seuls les avions, hélicoptères ou autogyres peuvent tirer un grand bénéfice de cette faible pesanteur et de la masse volumique élevée de l'atmosphère de Titan.

Giwa a écrit:
...
Et pire encore, si m.g est supérieur à R.g.V.P. M /Te...la montgolfière ne pourra que plonger...ce qui est fort possible à moins de trouver des matériaux ultralégers et résistants. :affraid:

La masse de l'enveloppe augmente comme la surface, soit le carré du diamètre, alors que la force ascensionnelle augmente comme le volume, soit le cube du diamètre.
Donc nul besoin de matériaux particulièrement légers, il suffit d'augmenter les dimensions.
Bon, je pinaille ;)

Oh, donc prendre l'air de Titan et le réchauffer ne suffit pas ? Je pensais que le plus simple, c'est d'y envoyer un dirigeable qui se gonflerait au sol en prenant l'air de Titan et qu'un moteur réchaufferait, et hop, ca vole...

Ben, je ne suis qu'un historien, pas du tout un spécialiste de l'exploration spatial et de la technologie spatiale.

lambda0 a écrit:

Giwa a écrit:
...
Et pire encore, si m.g est supérieur à R.g.V.P. M /Te...la montgolfière ne pourra que plonger...ce qui est fort possible à moins de trouver des matériaux ultralégers et résistants. :affraid:

La masse de l'enveloppe augmente comme la surface, soit le carré du diamètre, alors que la force ascensionnelle augmente comme le volume, soit le cube du diamètre.
Donc nul besoin de matériaux particulièrement légers, il suffit d'augmenter les dimensions.
Bon, je pinaille ;)

Tout à fait d'accord ;)
On peut toujours s'en sortir avec un ballon gigantesque...mais alors les déperditions thermiques ...bon, je sais ...les déperditions se font par le surface tandis que la température occupe le volume ...ce qui explique qu'un oiseau mouche doit avoir un métabolisme bien plus élevé qu'un éléphant ...ce qui explique pourquoi Hannibal - n'est-ce pas Firnas2 ?- put faire traverser les Alpes à ses éléphants - animaux qui bien que des pays chauds - résistent très bien au froid...alors les mammouths , la Sibérie ne leur faisaient pas peur! ..tant qu'ils ont eu de quoi manger ...ou que ces vilains homo-sapiens s'amusaient à leur faire peur...pour les précipiter dans des ravins ou les engluer dans des marécages...mais on patauge en plein HS !
Cordialement, :)

Cernach a écrit:Oh, donc prendre l'air de Titan et le réchauffer ne suffit pas ? Je pensais que le plus simple, c'est d'y envoyer un dirigeable qui se gonflerait au sol en prenant l'air de Titan et qu'un moteur réchaufferait, et hop, ca vole...

Ben, je ne suis qu'un historien, pas du tout un spécialiste de l'exploration spatial et de la technologie spatiale.

Si c'est possible si on le veut absolument...mais pourquoi faire quand il est beaucoup plus facile de voler dans l'air de Titan que d'y flotter?
Sur Titan les astronautes du XXIII siècle pourront d'ailleurs organiser des compétitions de vols battus à propulsion humaine -comme des anges (ce qui retournera dans sa tombe Milton Wright.)... à condition de porter des combinaisons bien étanches ...car il y règne - d'après ce que l'on m'a dit- une petite odeur d'amandes amères de cyanure d'hydrogène. :affraid:

lambda0 a écrit:
La masse de l'enveloppe augmente comme la surface, soit le carré du diamètre, alors que la force ascensionnelle augmente comme le volume, soit le cube du diamètre.
Donc nul besoin de matériaux particulièrement légers, il suffit d'augmenter les dimensions.

Bon, même si on est partiellement HS...je profite de ce post car ce qui suit ne mérite quant-même l'ouverture d'un nouveau sujet:
On peut imaginer en théorie faire flotter dans l'air un ballon rempli de...vide. Bien sûr le ballon serait écrasé par les contraintes de pression qu'il subirait...sauf s'il a des parois épaisses et très résistantes...mais alors l'enveloppe sera très lourde... mais on peut s'en sortir en faisant l'escalade vers le gigantisme puisque les contraintes de pression sont proportionnelles à la surface...donc au carré du rayon ...tandis que la poussée d’Archimède est proportionnelle au poids du volume de fluide déplacé donc au cube du rayon.
C’est d’ailleurs un moyen amusant pour évaluer la masse volumique de l’air au moyen d'un tas de petites seringues en plastique assez rigide fermées à l'embouchure pour assurer l'étanchéité et graduées en volume - que l’on pèse d’abord - avec les tiges qui serviront à les bloquer - s’en tirer dessus, puis après avoir tirer dessus et les avoir bloquées . Cela marche on constate que le tas devient un peu plus léger…de quelques mg et obtient en divisant ces mg par les mL d'air déplacés à l'extérieur des seringues la masse volumique de l'air en g/L - à quelques pourcents près, il faut avouer ;)

Giwa a écrit:
C’est d’ailleurs un moyen amusant pour évaluer la masse volumique de l’air au moyen d'un tas de petites seringues en plastique assez rigide fermées à l'embouchure pour assurer l'étanchéité et graduées en volume - que l’on pèse d’abord - avec les tiges qui serviront à les bloquer - s’en tirer dessus, puis après avoir tirer dessus et les avoir bloquées . Cela marche on constate que le tas devient un peu plus léger…de quelques mg et obtient en divisant ces mg par les mL d'air déplacés à l'extérieur des seringues la masse volumique de l'air en g/L - à quelques pourcents près, il faut avouer

Hum .. hum ... je demande à voir (dis tonton ... pourquoi tu tousses ?)

J'ai fait la manip avec un ballon de verre de presque 10 L dans lequel on fait le vide. On mesure la masse (mais bien difficile d'avoir le mg). Puis on laisse rentrer l'air et on repèse.
On obtient aux alentours de 1,3 g/L mais si on a moins de dix pour cent d'écart on est déjà assez content.

montmein69 a écrit:
Hum .. hum ... je demande à voir (dis tonton ... pourquoi tu tousses ?)

J'ai fait la manip avec un ballon de verre de presque 10 L dans lequel on fait le vide. On mesure la masse (mais bien difficile d'avoir le mg). Puis on laisse rentrer l'air et on repèse.
On obtient aux alentours de 1,3 g/L mais si on a moins de dix pour cent d'écart on est déjà assez content.

Dix pour cent d'écart entre deux manipulations ou par rapport à la valeur attendue qui dépend de la température et du taux d'humidité ?

J’ai quant-même bien fait comprendre que ma manipulation n’était pas d’une haute précision – il me semble – et un simple amusement…sans lendemain car il y a nettement mieux pour déterminer la masse volumique des gaz. Alors je ne vois pas pourquoi ergoter dessus …
De plus j'ai bien dit que j'avais utilisé des seringues en matière plastique dont les densités sont aux alentours de 1 alors que celles des verres avoisinent 2 ,5 . J’ai donc pu utiliser une balance de charge maximale plus faible et donc plus précise. Sinon tu peux toujours tousser à ma place car tout cela est enfoui dans mes souvenirs lointains - et vu mon âge avancé qui bien sûr m’empêchera de voir le débarquement sur Mars…et peut-être le retour sur la Lune … comme tu nous la très gentiment rappelé dans un autre post sur un autre sujet , nous en resterons là …et malheureusement je ne pourrais exaucer ton souhait d’en savoir plus.
Je te propose de revenir au sujet avec les autres membres car je pars en vacances pour quelques temps en thérapie...on va tenter de tenir jusqu'au retour sur la Lune ...sinon ce n'est pas grave, on y débarquera bien de nouveau sans moi.