voyage vers Mars: mauvaise nouvelle?

lambda0 a écrit:Vaste sujet, mais voici quelques éléments sur le moteur nucléo-thermique.

super! merci pour les explications et pour les liens

Pas sûr que l'obstacle politique soit le principal.

Les moteurs de type Nerva permettent de passer de 450 à près de 900 s d'impulsion spécifique,
- mais d'une part c'est encore un peu court : cela ne permet que de choisir entre réduire la masse de départ en orbite terrestre ou réduire (insuffisamment) la durée du voyage, ce qui ne règle pas le pb des radiations,
- d'autre part ces moteurs ont des rapports poussée/poids assez médiocres, bien inférieurs aux moteurs chimique,
- ils consomment exclusivement du LH2 qu'il faut stocker pendant des mois à très basse température... (nécessitée d'une réfrigération active)
- et surtout l'indice structurel de réservoirs de seul LH2 est bien plus médiocre que l'indice structurel de réservoirs stockant LH2 + une masse de LOX 6 fois plus importante comme pour les lanceurs chimiques. Transporter 70 t de LH2 nécessite un réservoir bien plus volumineux, mieux isolé et donc plus massif que pour transporter 10 t de LH2 et 60 t de LOX du fait de la faible masse volumique de LH2...

En fait il faudrait monter à 4000 ou 5000 s d'Isp (Gas Core Nuclear Reactor) pour raccourcir suffisament la durée du voyage ET compenser la dégradation des indices structurels. Et dans ce domaine, les études de RD sont en panne depuis 10 ans au moins...

montmein69 a écrit:
S'il s'agit seulement de fabriquer in situ du carburant pour remonter l'aterrisseur vers le vaisseau principal en orbite, l'intérêt doit être limité (comparer la masse du carburant fabriqué avec celle de l'installation nécessaire pour collecter la matière première et synthétiser)

C'est vrai que c'est un point à vérifier, et que ce n'est pas évident a priori.
Pour revenir en orbite depuis la surface de Mars, il faut un delta(V) de l'ordre de 4km/s. Pour ces moteurs au méthane, prenons Isp=360s. Pour remonter une capsule de 10t, il faut donc environ 20t de carburant.
Si l'équipement de production du carburant sur Mars pèse entre 5 et 10t (ordres de grandeurs), on a donc un gain d'au moins 10t.
Mais il s'agit d'un gain comptabilisé à la surface de Mars : ramené au départ de la Terre, le gain est en fait bien plus important.
Il semble que donc que ce soit avantageux, même si l'ISRU est limitée à la production du carburant pour le module de décollage de Mars.
D'un autre côté, il faut mettre en balance la complexité et le risque ajouté par l'ISRU : si le gain était positif, mais de l'ordre de quelques tonnes seulement, ce ne serait probablement pas pertinent.

Tout celà suggère que même si le vaisseau principal utilise un autre mode de propulsion, ce moteur au méthane et l'ISRU peuvent être intéressants pour redécoller de la surface martienne et rejoindre le vaisseau de retour parqué en orbite.

A+

Henri a écrit:
Les moteurs de type Nerva permettent de passer de 450 à près de 900 s d'impulsion spécifique,
- mais d'une part c'est encore un peu court : cela ne permet que de choisir entre réduire la masse de départ en orbite terrestre ou réduire (insuffisamment) la durée du voyage, ce qui ne règle pas le pb des radiations,

Oui, ce moteur ne permet pas un aller-retour sur la même conjonction.
Cependant, il rend accessible la trajectoire d'opposition passant par Vénus, correspondant à une mission d'environ 540j, avec 30j sur Mars. Cette durée de 540j est encore longue, mais déjà un peu plus compatible avec l'expérience acquise des missions en orbite. Mais effectivement, il est possible qu'on ne prenne pas beaucoup moins de radiations que pour la mission standard de 1000j car cette trajectoire passe plus près du soleil.

Henri a écrit:
- d'autre part ces moteurs ont des rapports poussée/poids assez médiocres, bien inférieurs aux moteurs chimique,

Certes, mais on ne cherche pas à décoller de la Terre avec ce moteur. Ce n'est pas très gênant ici.

Henri a écrit:
- ils consomment exclusivement du LH2 qu'il faut stocker pendant des mois à très basse température...

Problème commun aux autres concepts utilisant LH2.

Henri a écrit:
En fait il faudrait monter à 4000 ou 5000 s d'Isp (Gas Core Nuclear Reactor) pour raccourcir suffisament la durée du voyage ET compenser la dégradation des indices structurels. Et dans ce domaine, les études de RD sont en panne depuis 10 ans au moins...

Je suis tout à fait d'accord que le GCNR est bien meilleur, et permet justement de faire l'aller-retour en 6 à 8 mois, sur la même conjonction. Et il y a aussi les moteurs plasmiques, dont on a déjà discuté.
J'ai "exhumé" ces références sur NERVA pour montrer qu'à défaut, on avait déjà pratiquement une solution sur l'étagère, qui permettrait d'atteindre Mars de façon progressive (survol/mission 540j/mission 1000j).
Il s'agissait aussi de montrer que les alternatives à la propulsion chimique ne sont pas si spéculatives, et que certains projets (comme NERVA) ont atteint un stade de développement avancé.
Mais il me semble bien souhaitable de faire plus de recherche pour aboutir au GCNR, ou à un moteur plasmique de type Vasimr par exemple.

A+

La question du rapport poussée/poids du moteur n'est pas sans importance, s'il est trop médiocre et cumulé à un mauvais indice structurel des réservoirs (pur LH2), c'est l'indice structurel global et donc le rapport de masses qui se dégradent et donc le rapport (Delta V) / g*Isp. D'où la nécessitée d'une forte augmentation de l'Isp pour compenser...

Oui, c'est vrai parce que l'Isp est un peu juste. Les moteurs plasmiques ont un rapport poussée/poids encore bien plus faible, mais on compense par une Isp très élevée (enfin, on essaye).
Néanmoins, il ne semble pas impossible d'arriver à une Isp de 1100 à 1200s avec un réacteur nucléaire à coeur solide, étant donné les progrès qu'on a pu faire sur les matériaux depuis NERVA. Ca ne permet toujours pas de boucler une mission en 8 mois, mais ça donne un peu plus de marge sur la faisabilité de la mission en trajectoire d'opposition (env. 540j), surtout si on gagne de la masse au départ en utilisant un atterriseur avec des moteurs au méthane, en fabriquant ce méthane sur place (on limite l'ISRU à l'atterrisseur, le vaisseau principal emporte tout le LH2 nécessaire pour revenir).
Après, c'est aussi une question de budget.
Par ordre croissant de coût de R&D (à mon avis) :
Evolution NERVA < Développement GNCR < Propulsion plasmique
A pondérer avec les avantages de chaque solution, en terme de durée de la mission.

A+

Ce qui est dommage, c'est que dans les années 90 une configuration de confinement stable du type vortex coaxial ( http://www.lascruces.com/~mrpbar/rocket.html ) avait été découverte lors de simulations informatiques sur les coeurs gazeux de GCNR. Mais les budgets de passage à la vérification expérimentale n'ont jamais été au rendez-vous.
J'ai compilé quelques documents au sujet de la propulsion nucléaire par GCNR et du voyage vers mars dans cette section de mon site : http://minilien.com/?eD5RGtHm0T

Intéressant... Vu le principe, je me demandais justement comment on pouvait confiner convenablement le plasma et éviter des fuites vers l'extérieur, ce qui n'est quand même pas idéal pour la sécurité : en cas de fuite, le vaisseau se trouverait environné d'un plasma d'uranium...
Mais bon, c'est un problème technique parmi d'autres, et étant donné les performances théoriques du système, ça vaudrait quand même la peine de reconsidérer ce développement.
Sinon, on considère également les réacteurs à coeur gazeux en cycle fermé, avec une conversion MHD pour la production d'électricité alimentant un moteur plasmique.

A+

lambda0 a écrit:Intéressant... Vu le principe, je me demandais justement comment on pouvait confiner convenablement le plasma et éviter des fuites vers l'extérieur, ce qui n'est quand même pas idéal pour la sécurité : en cas de fuite, le vaisseau se trouverait environné d'un plasma d'uranium...

En fait s'il y a fuite d'uranium, ce dernier serait quand même éjecté à une vitesse imposante à travers le divergent et ne stagnerai pas à proximité du vaisseau.
Mais comme 235U est beaucoup plus massif que les atomes H issus de la dissociation de H2 à ces températures émis par la tuyère, il serait éjecté 15 fois moins vite que H {racine(235)} ce qui dégraderais considérablement l'Isp. Le challenge du confinement de 235U relève donc du domaine des performances : ce sont les produits de fission qui doivent être éjectés avec l'hydrogène, pas le carburant 235U.

Henri a écrit:il serait éjecté 15 fois moins vite que H {racine(235)} ce qui dégraderais considérablement l'Isp.

S'il est d'autant plus lourd, l'Isp n'est pas conservée ?

Space Opera a écrit:

Henri a écrit:il serait éjecté 15 fois moins vite que H {racine(235)} ce qui dégraderais considérablement l'Isp.

S'il est d'autant plus lourd, l'Isp n'est pas conservée ?

Une excellente explication de l'impulsion spécifique sur ce site :

http://minilien.com/?Gd1iprPiQY
ou
http://artemmis.univ-mrs.fr/cybermeca/Formcont/mecaspa/COURS_LA/COURS01/LANCEUR1.htm#Impulsion_spécifique

Space Opera a écrit:

Henri a écrit:il serait éjecté 15 fois moins vite que H {racine(235)} ce qui dégraderais considérablement l'Isp.

S'il est d'autant plus lourd, l'Isp n'est pas conservée ?

L'impulsion spécifique d'un moteur fusée dans le vide est strictement égale à la vitesse moyenne d'éjection des produits de réaction des ergols divisée par la constante g (9,81 m/s)

Rajout :
Bon, c'est un peu plus compliqué en cas de mélange de différentes espèces moléculaires, atomiques et ioniques dans le jet... Le calcul rigoureux est Isp = T/(g*d)
Avec T la poussée en Newtons
g accéleration de la pesanteur terrestre (9,81 m/s)
d le débit de perte de masse de la fusée (débit d'éjection de toutes les variétés en kg/s)
Ceci pour rester rigoureux et ne pas utiliser les mêmes unités pour les masses et les forces...
En résumé la vitesse d'éjection d'une espèce moléculaire est proportionnelle à la racine carrée du rapport Température/masse moléculaire, d'où la préférence pour des espèces moléculaires légères (H2, H2O, etc...) comme produits de réaction.

Les équations de Tsiolkovsky et de Saint-Venant sont les deux mamelles de l'astronautique...

Bonjour,

lambda0 a écrit:La seule mission possible en propulsion chimique est pratiquement l'orbite d'énergie minimale de Hohman (dite de conjonction), qui correspond à une durée de mission d'environ 1000 jours, avec un peu plus de 500 jours sur Mars.

Oui, c'est ce que beaucoup pensent.

montmein69 a écrit:
Un objectif effectivement "possible" mais il faut apporter le fret pour la survie de l'équipage et le carburant pour le retour.

C'est l'eau qui pèse le plus, avec un besoin de l'ordre de 7kg par jour et par personne (réf. NASA 1997). Pour 1000 jours et 4 personnes, ça fait donc près de 30 tonnes. D'où l'importance des découvertes d'eau sur Mars. A côté d'un possible MAV au CH4/O2 qui est pour l'instant abandonné, mais qui n'a peut-être pas dit son dernier mot, il y a donc aussi un intérêt certain à pouvoir collecter de l'eau sur Mars, que ce soit celle du sous-sol ou de l'atmosphère.

montmein69 a écrit:
Les missions automatisées feront mieux pour moins cher .....

"mieux", certainement pas, aucun robot n'arrive à la cheville d'un humain, notamment en exploration et analyse de terrain. Moins cher, ça reste discutable, surtout si on tient compte d'un critère de productivité scientifique. AMHA, l'efficacité d'un humain doit bien être 100 à 1000 fois supérieure à celle d'un robot de type spirit ou opportunity, même commandé à distance par un humain.

Sinon, dans les messages que j'ai pu lire, il me semble que vous n'avez pas tenu compte du freinage atmosphèrique pour la satellisation ou l'amarsissage, je me trompe ? Ce sont des points importants, car ils permettent de réduire fortement les demandes énergétiques initiales.

Argyre a écrit:
...
Sinon, dans les messages que j'ai pu lire, il me semble que vous n'avez pas tenu compte du freinage atmosphèrique pour la satellisation ou l'amarsissage, je me trompe ? Ce sont des points importants, car ils permettent de réduire fortement les demandes énergétiques initiales.

Effectivement, le scénario initial de Mars Direct prévoyait celà. Il me semble toutefois que cette idée n'a pas été retenue par la NASA, car assez risquée, et surtout, le gain en carburant est en partie perdu du fait de la nécessité de prévoir un bouclier assez massif. Ce bouclier complique aussi beaucoup la structure même du vaisseau. De plus, même si celà permet de réduire un peu la masse du vaisseau, et de gagner quelques semaines sur le trajet, c'est toujours trop lent pour qu'on puisse revenir sur la même conjonction : la durée de la mission reste toujours de 1000 jours environ.
Ce qui me rend un peu dubitatif par rapport au scénario Mars Direct est surtout cette durée de mission : comme expliqué dans cette discussion, on a l'expérience de missions lunaires de quelques jours, de missions orbitales de l'ordre d'un an, et sans solution de continuité, on s'attaquerait à une mission de presque trois ans.
Ce qui me fait préférer les solutions consistant à faire un peu plus de recherche sur la propulsion pour aboutir à un système permettant de revenir sur la même conjonction et de boucler la mission en 8 mois environ.
Mais bon, les deux points de vue se défendent bien...

Si tu souhaites développer ces points techniques sur Mars Direct, on peut ouvrir une discussion dans la rubrique "Technique"...

A+

lambda0 a écrit:comme expliqué dans cette discussion, on a l'expérience de missions lunaires de quelques jours, de missions orbitales de l'ordre d'un an, et sans solution de continuité, on s'attaquerait à une mission de presque trois ans.

Bonsoir,

Pourquoi dis-tu une expérience d'un an ? Dans l'ISS, on compte maintenir des conditions de vie correctes pendant une quinzaine d'années ! Et on a aussi l'expérience de MIR. Certes, les astronautes restent rarement plus d'1 an en orbite, mais il n'y aurait aucun problème notoire à poursuivre 3 ans. Si on ne le fait pas, c'est parce qu'on n'en voit pas l'intérêt. En réalité, c'est l'impesanteur qui pose quelques problèmes, car il faut sans cesse faire des exercices, prendre des cachets, etc.. Or, pour Mars, on envisage de faire tourner le vaisseau pendant le trajet. Il n'y a donc pas de problème physiologique ou technologique de maintien du support de vie qui n'ait été déjà résolu. De plus, il y a souvent dans ces systèmes des redondances qui permettent une certaine sécurité.

Y a t'il un réel avantage a colonisé Mars par rapport a la lune? Je crois qu'il est beaucoup plus sûr pour les colonisateurs de s'implanté sur la lune, et d'y faire des instalations dans le but de facilité la colonisation de Mars. Cela retarde probablement l'exploration de Mars de plusieur décenies mais quel économie ce serait si la base lunaire devenait le pourvoyeur des colons Marsien.

Argyre a écrit:

montmein69 a écrit:
Les missions automatisées feront mieux pour moins cher .....

"mieux", certainement pas, aucun robot n'arrive à la cheville d'un humain, notamment en exploration et analyse de terrain.

Si on envoie un veritable expert du domaine concerne .. peut-etre.
Mais cela ne sera probablement pas le cas lors des toutes premieres missions, et il ne disposera pas forcement d'appareillages d'analyse lourds et energetivores.
Un prelevement guidé par imagerie, une analyse sommaire robotisée.. puis le retour d'echantillons (et sur Terre les experts de toutes sortes et les labos équipés) me paraissent une étape intermédiaire indispensable.
Cela est evidemment une premiere phase d'exploration .
Les progrès réalisés seront de toute façon reutilisables, si une base martienne doit piloter des robots dans differents endroits eparpilles selon leur interet présumé.

Moins cher, ça reste discutable, surtout si on tient compte d'un critère de productivité scientifique. AMHA, l'efficacité d'un humain doit bien être 100 à 1000 fois supérieure à celle d'un robot de type spirit ou opportunity, même commandé à distance par un humain.

L'humain .... est une entité abstraite. Il y a un astronaute avec ses compétences et ses limites individuelles.

Bien sur dans un avenir (lointain...) de véritables labos de pointe et une variété de "spécialistes" sont envisageables.

Alpha a écrit:Y a t'il un réel avantage a colonisé Mars par rapport a la lune? Je crois qu'il est beaucoup plus sûr pour les colonisateurs de s'implanté sur la lune, et d'y faire des instalations dans le but de facilité la colonisation de Mars.

En fait, oui, il y aurait un avantage décisif à commencer par Mars plutôt que la Lune, si on considère que le problème numéro 1 de la colonisation est d'accéder à l'autonomie.
L'autonomie sur la Lune est AMHA bien plus difficile que l'autonomie sur Mars en raison de la présence de ressources plus importantes et plus faciles d'accès sur Mars que sur la Lune (eau, nitrates et sels divers, cycle jour/nuit, carbone, + richesse des minerais). Et je ne compte pas la présence d'une atmosphère (début de protection contre radiations) et le cycle jour/nuit.

Argyre a écrit;

L'autonomie sur la Lune est AMHA bien plus difficile que l'autonomie sur Mars en raison de la présence de ressources plus importantes et plus faciles d'accès sur Mars que sur la Lune (eau, nitrates et sels divers, cycle jour/nuit, carbone, + richesse des minerais). Et je ne compte pas la présence d'une atmosphère (début de protection contre radiations) et le cycle jour/nuit.

En effet, ces raisons rendent la colonisation de Mars plus facile et sécuritaire, mais l'isolement risque de coûter cher en vie humaine et en matériels si un grave problème survient. Quel type d'infrastructure robotique doit être sur place pour garantir la survie des colons qui arrive sur Mars? Combien de colons devraient être envoyé lors des premier arrivage pour assuré une vitesse d'implantation suffisante pour que le projet ne soit pas avorté a cause des coûts par les politiciens.

Alpha a écrit:mais l'isolement risque de coûter cher en vie humaine

Même sur une mission de 5 minutes dans l'espace, il n'y a aucune garantie que l'humain en question ne devienne pas fou subitement ...
AMHA, il faut des astronautes sélectionnes et entrainés, mais au-delà, on ne peut rien garantir. L'enjeu sera néanmoins notre meilleure assurance contre la folie et le désaroi.

Alpha a écrit:Quel type d'infrastructure robotique doit être sur place pour garantir la survie des colons qui arrive sur Mars? Combien de colons devraient être envoyé lors des premier arrivage pour assuré une vitesse d'implantation suffisante pour que le projet ne soit pas avorté a cause des coûts par les politiciens.

Que de questions où les réponses ne seront que pure spéculation !
Je me lance : je suis partisan de l'envoi de machines pour l'aide à la construction et l'exploitation des ressources, mais je ne vois pas bien le rôle des robots, sauf à se compliquer sérieusement la vie. En effet, la construction (par exemple) requiert des tâches de manipulation complexes et une adaptativité importante, ce qui est le point faible des robots (ma spécialité est l'I.A.). De plus, les robots sont des objets complexes difficilement réparables. On ne va pas développer des puces de silicium dans les premières étapes de développement de la base, donc on ne va pas pouvoir les réparer. Or, la réparabilité sera un point clé pour limiter l'envoi de matériel de remplacement, sachant que rare sera le matériel qui aura une durée de vie garantie de plus de 10 ans.
En ce qui concerne le rythme d'envoi des colons, des outils et des ressources, c'est une question ultra-difficile ! Ayant un peu travaillé sur ce problème grâce à mon simulateur, je pense qu'il faudrait de l'ordre de 50 ans pour atteindre l'autonomie, avec une cinquantaine de fusées envoyées progressivement (2 à chaque rapprochement Terre-Mars), dont 1 sur 3 avec un équipage de 4 à 6 colons, soit près de 100 colons. Mais au bout de 50 ans, il y aurait également de nombreux humains nés sur Mars.
D'un point de vue financier, à vue de nez cela fait de l'ordre de 2 milliards d'Euros par an (coût récurrent), sans compter les investissements préliminaires pour concevoir les fusées, le nouveau matériel et l'architecture des missions.

Argyre a écrit:
Que de questions où les réponses ne seront que pure spéculation !
Je me lance : je suis partisan de l'envoi de machines pour l'aide à la construction et l'exploitation des ressources, mais je ne vois pas bien le rôle des robots, sauf à se compliquer sérieusement la vie.
(...)

Assez d'accord sur les limites des robots. Toutefois, il ne faut pas oublier qu'on se place à une échéance d'au moins 20 ou 30 ans à partir de maintenant, et que les progrès de la micro-électronique aidant, on peut arriver à des systèmes plus performants.

Argyre a écrit:
En ce qui concerne le rythme d'envoi des colons, des outils et des ressources, c'est une question ultra-difficile ! Ayant un peu travaillé sur ce problème grâce à mon simulateur, je pense qu'il faudrait de l'ordre de 50 ans pour atteindre l'autonomie, avec une cinquantaine de fusées envoyées progressivement (2 à chaque rapprochement Terre-Mars), dont 1 sur 3 avec un équipage de 4 à 6 colons, soit près de 100 colons. Mais au bout de 50 ans, il y aurait également de nombreux humains nés sur Mars.
(...)

De quel type d'autonomie s'agit-il ?
On doit pouvoir arriver à une autonomie alimentaire, mais pas sur la technologie en un temps aussi court. Or, une technologie évoluée est très importante pour s'installer sur Mars, et surtout y rester. Il se peut, par exemple, qu'il soit possible de mettre en place une micro-industrie métallurgique rudimentaire, mais on ne se mettra pas à fabriquer des composants électroniques sur Mars au bout de 50 ans.
D'après Zubrin lui-même, compte tenu de la division des taches dans notre société, une autonomie totale ne serait possible qu'avec une population de plusieurs centaines de milliers d'individus. Donc à très longue échéance.
Il y a autonomie et autonomie.

A+

lambda0 a écrit:
De quel type d'autonomie s'agit-il ?
On doit pouvoir arriver à une autonomie alimentaire, mais pas sur la technologie en un temps aussi court. Or, une technologie évoluée est très importante pour s'installer sur Mars, et surtout y rester. Il se peut, par exemple, qu'il soit possible de mettre en place une micro-industrie métallurgique rudimentaire, mais on ne se mettra pas à fabriquer des composants électroniques sur Mars au bout de 50 ans.

Par autonomie, j'entends la possibilité de produire sa nourriture, de construire de nouvelles structures, des routes, des véhicules légers et des outils simples divers (vêtements, câbles, tuyaux, récipients, clous, ...), soit 99% des besoins pour une autonomie complète. Quelques objets complexes mais essentiels comme des scaphandres ou des tracteurs seraient difficiles à produire ou à réparer. Pour ces quelques objets, je n'ai pas de réponse claire. Peut-être trouvera t-on une solution, peut-être faudra t-il attendre quelques centaines de colons supplémentaires, mais l'essentiel de la survie étant assuré, il me semble qu'il n'y aura plus besoin d'envoyer autant de fusées et de matériel.
A ce stade de développement, il est probable que les nouveaux colons vont se payer leur voyage tout seul (ou payé par leur pays d'origine qui souhaite avoir des représentants sur place) en amenant avec eux le matériel que les Martiens demanderont. C'est en tout cas ce que j'espère.

En effet, on vise plutôt une autonomie partielle.
Mais une autonomie totale est elle nécessaire en fait ?

Voici la version de Zubrin sur la viabilité économique d'une colonie martienne :
http://citeseer.ist.psu.edu/464236.html

Installez vous sur Mars pour la modique somme de 320000$ !
Montez votre société d'exploitation minière des astéroides !

Business is business...

lambda0 a écrit:En effet, on vise plutôt une autonomie partielle.
Mais une autonomie totale est elle nécessaire en fait ?

Voici la version de Zubrin sur la viabilité économique d'une colonie martienne :
http://citeseer.ist.psu.edu/464236.html

Installez vous sur Mars pour la modique somme de 320000$ !
Montez votre société d'exploitation minière des astéroides !

Business is business...

Super intéressant ce site !
Cet article en particulier fait aussi partie du livre "Cap vers Mars".
C'est vrai que j'avais aussi été étonné par cette approche commerciale mais après tout pourquoi pas !