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Transporter des choses dans l’espace

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21 décembre 2015. La fusée Falcon 9 de SpaceX propulse 11 satellites ORBCOMM en orbite. C’est un tournant dans l’histoire du transport spatial, car on n’avait jamais fait atterrir le premier étage (la plus grosse partie) d’une fusée orbitale auparavant. Cela ouvre la voie vers un futur où on ne jette plus les fusées après les avoir utilisées, et où elles deviennent un moyen de transport comme un autre. C’est le lancement qui m’a fait réaliser qu’on vivait à un moment important de l’histoire humaine, celui où nous gagnons accès à de nouveaux continents, au-delà de notre atmosphère. Il va devenir abordable d’y aller et de développer nos activités. C’est ce qui m’a décidé à changer de carrière pour travailler dans le spatial après 3 ans de développement logiciel dans un autre secteur. Cette photo longue exposition montre les flammes du décollage (à gauche), et de l’atterrissage (à droite). Sans exagérer, même si le bénéfice des fusées réutilisables reste encore à prouver aujourd’hui, car ce sont de complexes objets d’ingénierie encore peu fabriqués, nos descendants qui vivront partout dans le système solaire dans un millier d’année se demanderont pourquoi nous avons attendu si longtemps pour les perfectionner. Depuis cet événement, d’autres entreprises se sont mises à étudier la possibilité de réutiliser leurs fusées, comme Rocket Lab (US/NZ) ou Linkspace (Chine), pour n’en citer que deux. Des organismes un peu partout dans le monde accélèrent leur programme de recherche sur ce sujet. En France par exemple, il y a un plan de développement pour les fusées réutilisables grâce aux programmes Callisto -> Themis -> Ariane Next, où le CNES, DLR, JAXA, ESA, et Ariane Group collaborent. Il y a encore des sceptiques, mais la révolution est en marche.

L’espace est très différent de ce qu’on observe au quotidien, alors un peu d’introduction est peut-être de mise. Si vous avez déjà étudié l’aérospatial, cet article contiendra des choses que vous savez déjà. Mais ça permettra d’avoir tout le monde à niveau sur les concepts de base, et d’avoir un lien de référence quand on en parlera sur ce blog.

Les voitures avancent en faisant tourner leurs roues : cela crée de la friction contre le sol, ce qui les fait avancer. Les bateaux et les avions à hélices fonctionnent un peu de la même manière, à cela près qu’ils ne poussent pas contre le sol mais contre le fluide qui les entoure (l’eau, l’air). Les avions à réaction et les fusées fonctionnent différemment : ils lancent quelque chose en arrière (du gaz chaud), et ça les fait avancer. Plus la masse éjectée est grande, et plus elle est éjectée rapidement, plus la fusée avance.

L’impulsion spécifique

Pour mesurer à quel point la masse est éjectée vite en arrière, nous utilisons « l’impulsion spécifique » (Isp). Elle mesure à quel point un moteur est efficace, comme le « Litres au 100km » pour les voitures. Plus l’Isp est grande, plus on peut accélérer avec une quantité donnée de carburant. Sans plonger dans le détail des équations, gardez en tête qu’une impulsion spécifique plus grande est souvent mieux, car on veut minimiser la quantité de carburant qu’on emporte avec nous (car il a, lui aussi, une masse qu’il faut déplacer… donc il faut prendre plus de carburant, et pour déplacer ce carburant, il faut plus de carburant, etc…).

Delta-V

Il y a deux types de distance dans l’espace. Enfin… en quelque sorte. En tout cas, c’est comme ça que j’aime le visualiser.

Le premier type de distance est évident : c’est la quantité d’espace qui sépare 2 objets. Par exemple, la lune est à 384,000km de la terre. Cette distance physique est importante car elle donne un indice sur le temps de trajet. L’espace est grand, alors même si on va très vite, cela peut prendre des mois (des années !) d’atteindre une cible.

Et puis il y a un autre type de distance, le plus important quand on parle de transporter des choses dans l’espace. L’orbite de la station spatiale internationale (ISS) est à 400km au-dessus de nos têtes, pourtant il est beaucoup plus difficile d’y aller que de faire un trajet de Toulouse à Paris (un voyage de 600km). C’est parce que l’ISS bouge très vite : plus de 7500m/s… 22 fois la vitesse du son ! C’est nécessaire d’aller si vite pour ne pas tomber sur la Terre.

Si vous ne comprenez pas pourquoi, qui mieux que Jamy pourrais vous l’expliquer en moins de 2 minutes ?

C’est pas Sorcier – Comment une fusée est-elle mise en orbite ?

La différence de vitesse (Delta-V, DV) mesure à quel point on a besoin d’accélérer pour aller à la même vitesse que la cible. Une fois qu’on va aussi vite que la cible (et dans la même direction), le mouvement relatif est 0, donc on voit la cible fixe et on peut interagir avec. C’est comme quand on fait un footing entre potes : tout le monde bouge, mais dans la même direction et à la même vitesse, donc on peut se parler (si on n’est pas au bout de sa vie comme c’est mon cas) !

Il y a une carte que j’adore qui montre le Delta-V nécessaire pour aller d’un endroit à l’autre dans le système solaire. On dirait une carte de métro :

Carte de la distance en Delta-V dans le système solaire (ouvrir en grand).
Si vous avez déjà joué à Kerbal Space Program, vous avez déjà vu ce genre de dessin, et je vous kiffe.

Pour les besoins de ce blog, qui sera centré surtout autour de la Terre, la Lune, Mars, et les Astéroïdes, la carte ci-dessous donne plus de détails :

Carte de la distance en Delta-V dans l’espace cislunaire et Mars.
On commence à voir apparaître des “endroits” moins connus, comme des orbites intermédiaires ou des points de Lagrange. On en parlera en temps voulu.

Il y a des trajectoires et des façons plus exotiques de se déplacer que ça, mais franchement on verra ça plus tard !

La masse sèche

Conceptuellement, une fusée est faite de 3 choses :

  1. La charge utile : c’est la chose intéressante qu’on veut transporter (un satellite, des humains dans une capsule pressurisée, …).
  2. Le carburant : c’est la chose qu’on veut jeter en arrière très fort pour accélérer.
  3. La masse sèche
Soyez préparés, je suis un expert en graphismes.

Ce qu’on appelle la masse sèche est la partie de la fusée qui n’est pas utile et qu’on ne peut pas jeter en arrière. La masse sèche, c’est pas bien mais c’est obligatoire : il faut une structure, des réservoirs, un moteur et un cône d’expansion, des ordinateurs de bord, des antennes…

Certaines combinaisons de carburant ont une grande impulsion spécifique, comme le LOX/LH2 (oxygène et hydrogène liquides), mais on a besoin de grands réservoirs très bien isolés pour ne pas que tout s’évapore (l’hydrogène liquide s’évapore à -253°C, assez froid pour geler l’oxygène liquide!). Il n’y a pas de formule magique pour faire une fusée : certaines ont une meilleure impulsion spécifique mais une plus grande masse sèche, d’autres ont moins de masse sèche mais doivent emporter plus de carburant car leur Isp est plus petite. C’est le cas par exemple des fusées LOX/CH4 (oxygène et méthane liquides). Le méthane s’évapore à -161°C et l’oxygène à -183°C. C’est presque pareil, et c’est pratique car on peut les isoler ensemble pour économiser un peu de masse.

Au fait, vous remarquerez qu’on doit emporter notre propre oxygène pour bruler le carburant. C’est parce qu’il n’y a pas d’oxygène dans l’espace, contrairement aux avions à réaction qui peuvent brûler leur kérosène dans l’air ambiant. On fait aussi des fusées au kérosène mais passé une certaine altitude, il n’y a plus d’air, donc on emporte quand même l’oxygène. Et puis quand on va très vite, c’est dur d’acquérir l’air autour de soi. C’est tout le défi des avions supersoniques.

Si vous vous demandez comment on fait pour garder aussi froid le carburant, considérez ça : il y a des bateaux qui transportent du gaz naturel liquide (composé presque uniquement de méthane) et qui passent plusieurs semaines sur l’océan !

C’est même écrit dessus : “Liquid Natural Gas”.

Calculer la charge utile

Imaginez que vous avez une fusée. Vous savez où vous voulez aller (le Delta-V), à quel point votre moteur est efficace (l’Isp), et la masse sèche de votre fusée. Combien de charge utile vous pouvez emporter avec vous ? C’est à ça que sert l’équation de Tsiolkovski (the rocket equation). Elle met en rapport la masse initiale (charge utile + masse sèche + carburant) avec la masse finale (charge utile + masse sèche, sans carburant), en utilisant comme paramètre le Delta-V et l’Isp.

“ve” – exhaust velocity – c’est l’impulsion spécifique multipliée par une constante, alors je ne vous ai pas menti. Il y a déjà un logarithme, franchement on ne fera pas plus compliqué niveau mathématiques.

Votre fusée fait 100 tonnes. L’équation est exponentielle (ou logarithmique suivant le sens dans lequel on la regarde), donc si vous voulez accélérer de 1000m/s, peut-être que vous pourrez prendre 70 tonnes de charge utile. Mais si vous voulez accélérer de 7000m/s, vous ne pouvez prendre que 6 tonnes.

Le pourcentage de charge utile lorsqu’on lance depuis la terre jusqu’en orbite basse (LEO) est autour de 1/30e (ça change pour toutes les fusées). Cela veut dire que pour envoyer 100 tonnes en LEO, il faut commencer avec 3000 tonnes sur le sol. C’est pour ça que les fusées sont grosses (on ne s’en rend pas vraiment compte sur les vidéos). Une rame de TGV fait environ 400 tonnes. Vous imaginez toute cette masse qu’on jette en arrière pour avancer ?

Cette fusée Saturn V expluse plusieurs éléphants par seconde pour s’arracher à la gravité terrestre. Dans la vraie vie on expulse plutôt du gaz chaud (des produits de combustion), mais l’animation est faite pour représenter de façon imagée la quantité énorme de matière qui est expulsée.

Cette notion de “pourcentage de charge utile” est importante pour comprendre l’économie spatiale : en fonction d’où est produit une ressource et où elle est demandée, il peut y avoir une grande différence sur le prix de vente. Plus on est loin, plus on est prêts à payer cher pour quelque chose, car on n’a pas à l’emmener soi-même, et on peut construire une fusée plus petite. La plupart des coûts sont dus au transport.

Aérofreinage

Dernier concept. Un mot sophistiqué. J’adore.

Avoir 100% de charge utile est théoriquement impossible, mais on peut s’en approcher. Cela voudrait dire que la charge utile est seule… qu’il n’y a pas de fusée attachée à elle, ou en tout cas qu’on n’expulse pas de masse en arrière pour avancer. Des concepts ont été proposés, comme des « catapultes », des « canons », des « trébuchets », qui lancent la charge utile vers sa destination, où une autre infrastructure est en place pour l’attraper. Nous discuterons de cette possibilité futuriste dans un post dédié, car cela changerait énormément de choses et présente ses propres challenges.

Deux exemples d’aérofreinages, plus ou moins violents.

Pour les trajectoires qui arrivent sur la Terre et sur Mars (ou n’importe quel corps possédant une atmosphère – pas comme la Lune), nous pouvons utiliser l’aérofreinage pour réduire notre vitesse. Cela réduit le Delta-V effectué par des moteurs, donc améliore le pourcentage de charge utile (l’augmente). L’engin spatial frotte contre la haute et fine atmosphère – comme un parachute, mais moins intense.

Ce procédé convertis de l’énergie cinétique (vitesse) en énergie thermique (chaleur) : l’engin ralentis mais chauffe. Il frappe fort les molécules d’air sur son chemin, en leur transmettant une partie de sa vitesse, et il compresse le gaz devant lui, ce qui augmente sa température. L’exemple le plus extrême de cette application est pour les capsules de retour sur la Terre : il n’y a même pas de fusées dessus, juste un bouclier thermique et des parachutes. Evidemment, cela ne marche que dans un sens (on ne peut pas monter dans l’espace grâce à des parachutes). En pratique, cela demande de la masse sèche supplémentaire, car il faut une structure plus robuste et pouvoir gérer la chaleur. C’est également un procédé qui prend du temps, car on ne veut dissiper qu’un peu d’énergie à chaque passage de l’orbite pour ne pas trop stresser le vaisseau.

Pour exemple, l’orbiteur martien TGO de l’ESA a utilisé l’aérofreinage pour économiser environ 1km/s de Delta-V à son arrivée sur Mars pour rejoindre son orbite opérationnelle, mais ça a pris environ 1 an.

7 replies on “Transporter des choses dans l’espace”

Bonjour
Très bon article, un plaisir a lire.

J’ai regardé en détail la “carte système solaire” des Delta-V.

Un chiffre m’étonne : l’atterrissage sur venus prends “27”. un chiffre très important qui positionne venus entre saturne (19) et Jupiter (33).

Y a t i l une raison pour que venus “consomme” autant ou est une erreur de frappe (par rapport aux autres planètes, un 2.7 serait crédible)?

Bonjour Olivier,
C’est un plaisir de lire votre commentaire également !

La gravité sur Venus est à peu près comme sur Terre, donc à priori on pourrais imaginer que c’est aussi difficile de décoller depuis Venus que depuis la Terre. Sauf que l’atmosphère est beaucoup plus dense sur Vénus : à sa surface, l’air crée autant de pression que si on était sur Terre 1000 mètres sous l’eau. En fonction du coefficient aérodynamique de la fusée et de sa poussée (je ne sais pas combien ils ont choisi pour faire le graphique), ça peut donc beaucoup augmenter le Delta-V, car il faut “pousser contre l’épaisse atmosphère”, et ça freine la fusée, qui doit d’autant plus accélérer. Le concept de mission habitée vers Venus de la NASA, appelé HAVOC, propose de rester en suspension à 50km d’altitude avec des dirigeables. De cette altitude, la pression atmosphérique et la température est assez similaire à ce qu’on trouve sur Terre, et retourner en orbite prend environ 9km/s.
https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20160006329.pdf

Pour les géantes gazeuses, je ne sais pas vraiment ce qu’ils ont considéré comme “la surface”, je ne m’étais jamais posé la question. Pourquoi voudrait-on plonger dedans ? 😅

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