Evasion Spatiale SM Dec2015 vf - Le blog de Stéphane MAZOUFFRE
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Evasion spatiale. Objectif Mars. Et après? Dr. Stéphane Mazouffre Directeur de Recherche au CNRS ICARE, Orléans Pourquoi s’évader ? Esprit de conquête Repousser les frontières pour l’humanité Etendre nos connaissances Origine de l’Univers, de la vie Rechercher et exploiter des ressources Énergie, Matières premières Rêver La Terre Lever de Terre Le point bleu pâle Bill Anders Apollo 8, déc. 1968 Sonde Voyager 1 1990, 6 MM km (Carl Sagan) Un peu d’histoire K. Tsiolkovsky, R. H. Goddard, S. Korolev, W. von Braun, E. Stuhlinger, A. I. Morozov, H. Curien Le système solaire Distance au soleil Mercure Vénus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune Pluton 45,9 Mkm 107,4 Mkm 147,1 Mkm 207,0 Mkm 740,0 Mkm 1,3 MMkm 2,7 MMkm 4,5 MMkm 5,9 MMkm Paris – Tokyo : 9970 km Terre – Lune : 384 400 km. 50 ans d’exploration Crédit : National Geographic Prochain objectif : Mars Horizon 2040 Crédit : The Martian Space Launch System Orion Lanceur lourd (3000 t, 120 m) 130 t en LEO 2 étages, 2 boosters 5mx3m 25 t 6 membres Crédit : NASA Crédit : NASA Et après ? Villages lunaires et martiens Stations spatiales Lunes des planètes géantes Astéroïdes Frontière du système solaire Et au-delà Proxima Centauri (4,22 a.l.) Exoplanètes voyage extragalactique (Andromède 2,9 Ma.l.) Les verrous Limites humaines Les verrous Limites humaines Contraintes technologiques Les verrous Limites humaines Contraintes technologiques Lois de la Physique Les lois de la Physique La propulsion spatiale Méthode permettant de déplacer un véhicule spatial (fusée, satellite, sonde, capsule, station spatiale) 1) du sol vers l'espace 2) directement dans l'espace Le principe de la propulsion est basée sur la conservation de la quantité de mouvement ; il s’agit d’expulser à grande vitesse une certaine quantité de matière pour générer une force propulsive. Chimique vs Electrique Propulsion chimique Propulsion électrique Propulsion chimique : éjection de gaz chauds Propulsion électrique : accélération de particules chargées (ions) Equation de Tsiolkovsky Conservation de la quantité de mouvement pour un système à masse variable Fext + dm dv v e = Fext + m& v e = m dt dt Fext : forces appliquées au véhicule (gravité, frottements) m& v e : poussée Equation de Tsiolkovsky : cas idéal : Fext =0 m0 ∆v = ve Ln mf ∆v : variation du vecteur vitesse = vf – v0 ve : vitesse d’éjection de la matière m0 : masse initiale mf : masse finale m0 - mf = me : masse de carburant (ergol) Masse de carburant Equation de Tsiolkovsky Masse de carburant Equation de Tsiolkovsky Chimique Electrique Cas d’école Envoi d’une sonde robotisée vers Proxima Centauri (d = 4,2 a.l.) ms = 1 kg ∆v = 1 % vitesse de la lumière = 3×103 km/s Cas d’école Envoi d’une sonde robotisée vers Proxima Centauri (d = 4,2 a.l.) ms = 1 kg ∆v = 1 % vitesse de la lumière = 3×103 km/s Cas 1 Propulseur chimique ve = 5 km/s me = 4×10260 kg >> masse de l’Univers observable (1053 kg) Cas d’école Envoi d’une sonde robotisée vers Proxima Centauri (d = 4,2 a.l.) ms = 1 kg ∆v = 1 % vitesse de la lumière = 3×103 km/s Cas 1 Propulseur chimique ve = 5 km/s me = 4×10260 kg >> masse de l’Univers observable (1053 kg) Cas 2 Propulseur électrique ve = 100 km/s me = 1013 kg (petit astéroïde ; r = 1 km) Propulsion électrique Propulsion ionique, propulsion à plasma Qu’est-ce qu’un plasma ? 4ème état de la matière (99 % de la matière de l’Univers) Etat gazeux très énergétique Milieu contenant des particules chargées électriquement (mais quasi-neutre) Milieu qui produit des champs E et B, des courants, de la lumière Milieu qui réagit à des champs E et B Production d’un plasma : apport d’énergie à un gaz Accélération d’un plasma : champ E, force de Lorentz magnétique Propulseurs à plasma Sources d’énergie Les besoins Voyages dans le système solaire Forte poussée (durée de la mission) 100 N – 100 kN Grande vitesse d’éjection (≈ ∆v) 100 – 1000 km/s Forte puissance électrique (MW, GW) Réacteur nucléaire à fission Longue durée de vie du propulseur T > 10 ans Vaisseau de grande taille, de masse importante L > 100 m m > 1000 t Les besoins Voyages dans le système solaire Etat de l’art Réacteur nucléaire à développer → utilisation de panneaux solaires Etat de l’art Réacteur nucléaire à développer → utilisation de panneaux solaires 3 technologies de propulseur à forte puissance Etat de l’art Réacteur nucléaire à développer → utilisation de panneaux solaires 3 technologies de propulseur à forte puissance Propulseur de Hall Propulsion électrostatique (champ E) Principe : barrière magnétique Utilisé depuis 1970 sur satcoms Poussée = 2,5 N Puissance = 50 kW ve = 20 – 50 km/s Rendement = 60 % Durée de vie = 1,1 an Etat de l’art Réacteur nucléaire à développer → utilisation de panneaux solaires 3 technologies de propulseur à forte puissance Propulseur MagnétoPlasmaDynamique Propulsion électromagnétique Principe : Force de Lorentz magnétique Concept : 1960 Poussée = 50 N Puissance = 1 MW ve = 100 km/s Rendement = 40 % Durée de vie = 1000 h Etat de l’art Réacteur nucléaire à développer → utilisation de panneaux solaires 3 technologies de propulseur à forte puissance Propulseur VASIMR Propulsion électrothermique Concept : 1980 Système à 3 étages ionisation (RF helicon) chauffage des ions tuyère magnétique Poussée = 6 N Puissance = 200 kW ve = 50 km/s Rendement = 70 % Durée de vie = 1 h Perspectives - Projections XXI ème siècle L’Homme est confiné à la banlieue terrestre stations spatiales, colonies lunaires XXII ème siècle L’Homme explore le système solaire Perspectives - Projections XXI ème siècle L’Homme est confiné à la banlieue terrestre stations spatiales, colonies lunaires XXII ème siècle L’Homme explore le système solaire Prenons soin du seul vaisseau spatial à disposition
