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 inconvénients de la propulsion ionique

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Argyre


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MessageSujet: inconvénients de la propulsion ionique   Dim 20 Nov 2016 - 18:58

Bonjour,

L'atout majeur de la propulsion ionique est de permettre une forte impulsion spécifique, ce qui réduit la masse des ergols à envoyer en orbite. Toutefois, tant qu'on reste sur des poussées faibles, on perd beaucoup de cet avantage.
De fait, il a été montré que si on ne donne aucune contrainte sur la durée du voyage, on peut maximiser l'ISP et obtenir un gain notable. Toutefois, si on impose un trajet en 6 mois ou moins, on est obligé d'exploiter des centrales électriques très lourdes ou de réduire l'ISP, ce qui fait que le système de propulsion ionique n'est plus compétitif face à la propulsion chimique en termes de masse.
Ou alors, certains proposent un système mixte chimique + ionique, avec par exemple une montée en orbite lente, mais au détriment de la durée, ou en envisageant des transferts complexes en orbite haute s'il s'agit d'un vol habité.

Je souhaite cependant discuter non pas des vols habités, mais des vols cargos pour les besoins d'une colonie qui serait sur Mars. Et je m'interroge : Est-ce qu'on saura longtemps à l'avance quels seront les besoins de la colonie en termes de maintenance et de renouvellement de matériel, ce qui fait qu'il n'y aura pas de contrainte de durée pour les cargos, ou au contraire, est-ce que les colons auront des besoins spécifiques difficiles à prévoir, en quel cas il sera impératif de pouvoir
envoyer tout rapidement ?
En clair, est-ce que la propulsion ionique a vraiment un avenir dans le cadre des premières étapes d'une colonisation martienne ?
Musk ne semble même pas s'être posé la question, ou alors il a rapidement tranché, pour lui c'est tout chimique.
Et vous, vous en pensez quoi ?
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Space Opera
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MessageSujet: Re: inconvénients de la propulsion ionique   Dim 20 Nov 2016 - 19:27

Je suis assez d'accord avec le chemin pris par SpaceX: il est plus simple de faire un premier étage géant et du tout chimique plutôt que de déporter ces difficultés sur la propulsion des étages supérieurs. C'est loin d'être optimal, mais faire un monstre capable d'envoyer des centaines de tonnes en LEO est peut-être bien moins problématique que de se lancer dans des usines à gaz ioniques.
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MessageSujet: Re: inconvénients de la propulsion ionique   Dim 20 Nov 2016 - 19:32

Space X n'a tout simplement pas de compétences dans ce domaine, et devrait repartir de zéro.
J'avais évalué que si l'ITS-cargo s'accrochait à un remorqueur SEP pour les transfert interplanétaires, le nombre de ravitailleurs nécessaires passerait de 5 à 2 (un réservoir d'argon, et un ravitailleur LOX/LCH4).
Maintenant, si on devient capable de lancer des fusées de 10000 tonnes à un coût dérisoire, effectivement, la propulsion électrique est moins pertinente que dans un contexte où le coût d'accès à l'orbite est élevé.

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MessageSujet: Re: inconvénients de la propulsion ionique   Dim 20 Nov 2016 - 19:35

Argyre a écrit:
Bonjour,

L'atout majeur de la propulsion ionique est de permettre une forte impulsion spécifique, ce qui réduit la masse des ergols à envoyer en orbite. Toutefois, tant qu'on reste sur des poussées faibles, on perd beaucoup de cet avantage.
De fait, il a été montré que si on ne donne aucune contrainte sur la durée du voyage, on peut maximiser l'ISP et obtenir un gain notable. Toutefois, si on impose un trajet en 6 mois ou moins, on est obligé d'exploiter des centrales électriques très lourdes ou de réduire l'ISP, ce qui fait que le système de propulsion ionique n'est plus compétitif face à la propulsion chimique en termes de masse.
Ou alors, certains proposent un système mixte chimique + ionique, avec par exemple une montée en orbite lente, mais au détriment de la durée, ou en envisageant des transferts complexes en orbite haute s'il s'agit d'un vol habité.

Je souhaite cependant discuter non pas des vols habités, mais des vols cargos pour les besoins d'une colonie qui serait sur Mars. Et je m'interroge : Est-ce qu'on saura longtemps à l'avance quels seront les besoins de la colonie en termes de maintenance et de renouvellement de matériel, ce qui fait qu'il n'y aura pas de contrainte de durée pour les cargos, ou au contraire, est-ce que les colons auront des besoins spécifiques difficiles à prévoir, en quel cas il sera impératif de pouvoir
envoyer tout rapidement ?
En clair, est-ce que la propulsion ionique a vraiment un avenir dans le cadre des premières étapes d'une colonisation martienne ?
Musk ne semble même pas s'être posé la question, ou alors il a rapidement tranché, pour lui c'est tout chimique.
Et vous, vous en pensez quoi ?
Très bonne question !   Je crois que la compétitivité ou pas de la propulsion électrique (ionique ou plasmique) est lié à l'efficacité des panneaux solaires ,parce que la limite de cette propulsion c'est l'énergie électrique .   Si on arrive à faire des panneaux beaucoup plus légers que les panneaux actuels et pourquoi pas avec un meilleur rendement alors la propulsion électrique va devenir très attirante.
D'après une discussion que j'avais eu sur "Cosmoquest" , je crois que de gros progrès sont possibles.
En terme de fuel le xénon est très cher mais il peut être remplacé par de l'argon et d'autres substances.
Il existe une autre option que j'appellerais mixte  électrique / Chimique , c'est d'utiliser l'énergie  électrique pour électrolyser de l'eau  et bruler dans une tuyère l'hydrogène et l'oxygène produits. Pas besoin de stockage cryogénique ,l'ISP est plus faible que dans le cas d'une fusée ionique mas la poussée est plus forte.

Il y a aussi le problème du déploiement des panneaux  ,mais la il faudrait sans doute faire appel aux rois de l'Origami !
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MessageSujet: Re: inconvénients de la propulsion ionique   Dim 20 Nov 2016 - 20:50

Au passage, je rappelle que le mode impulsionnel (typiquement propulsion chimique) est bien plus tributaire des fenêtres de tirs déterminées par la mécanique céleste que la poussée continue. Dans les cas défavorables, en impulsionnel/chimique, il faut plus de 2 ans pour recevoir sur Mars un colis après l'avoir commandé.

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MessageSujet: Re: inconvénients de la propulsion ionique   Mar 22 Nov 2016 - 0:00

En effet, en propulsion ionique la poussée peut durer tout le trajet, alors les fenêtres de tir deviennent floues et donc plus commodes.

Mais je ne crois pas que cette SEP présente un avantage financier pour Mars.  Mais (rêvons un peu) pour Céres elle serait très intéressante pour du cargo.

Si on peut extraire de la glace de Céres elle serait transportée à une colonie lunaire en plusieurs allers-retours, sans frais gigantesques.
.
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MessageSujet: Re: inconvénients de la propulsion ionique   Mar 22 Nov 2016 - 8:11

L'avantage financier dépend aussi de la capacité de Space X a atteindre ses objectifs en terme de coût de lancement.
Comme indiqué plus haut, si l'ITS-cargo s'arrimait à un remorqueur SEP, le nombre de ravitailleurs pourrait être réduit de 5 à 2, ce qui est quand même une bonne économie.
La contrepartie est le surcoût du remorqueur lui-même (réutilisable, évidemment).
Si Space X atteint ses objectifs en coût, il est assez probable que l'intérêt économique d'un tel remorqueur disparaisse pour le transport de frêt Terre-Mars (si on peut lancer à un coût dérisoire, l'économie sur les ravitailleurs ne compense jamais le coût du remorqueur).
Dans le cas contraire, c'est une option dont les avantages sont connus depuis longtemps.
Par contre, Space X n'a pas de compétence dans ce domaine, et Musk n'a pas vraiment fait de choix entre chimique et électrique, à ma connaissance. Space X optimise pour l'instant les technologies qu'elle maitrise, et a de toute façon besoin des moteurs chimiques pour décoller.



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Argyre


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MessageSujet: Re: inconvénients de la propulsion ionique   Mar 22 Nov 2016 - 22:50

lambda0 a écrit:
Au passage, je rappelle que le mode impulsionnel (typiquement propulsion chimique) est bien plus tributaire des fenêtres de tirs déterminées par la mécanique céleste que la poussée continue. Dans les cas défavorables, en impulsionnel/chimique, il faut plus de 2 ans pour recevoir sur Mars un colis après l'avoir commandé.

Très juste. D'abord, essayons de faire le point sur le chimique.
Admettons que dans les conditions optimales, on ait la capacité d'envoyer un vaisseau vers Mars en 5 à 6 mois (en chimique donc).
Si on est informé d'un besoin 6 mois avant la fenêtre standard, pas de souci, on attend 6 mois, puis on lance, ça fait moins d'1 an de délai pour recevoir l'objet sur Mars.
Si on est en retard par rapport à la date idéale, ça se complique. Intuitivement, il y a une petite marge de quelques semaines, mais guère plus.
La configuration la plus défavorable a lieu lorsque la Terre et Mars sont très proches : la Terre tournant plus vite autour du soleil, toute fusée lancée vers Mars arriverait nécessairement devant Mars, il est donc nécessaire d'attendre 2 ans pour que la Terre rattrape à nouveau Mars et se retrouver avec la Terre un peu en arrière par rapport à Mars.
Cependant, si on est vraiment pressé, il existe un certain nombre de trajectoires non classiques. D'abord, on peut
passer via Vénus. En général, il y a presque toujours une solution de ce type, mais il faut grosso modo 1 an et demi.
Ensuite, si on a la capacité d'aller vers Mars en 6 mois, cela veut dire qu'on est capable d'avoir une aphélie assez loin de l'orbite de Mars. Une orbite allongée avec une aphélie bien plus haute a une période plus longue. Donc, le 2ème croisement de l'orbite martienne, en phase descendante, c'est-à-dire en se rapprochant du soleil, peut être calculé de sorte que Mars soit précisément à cette position. Comme la période est largement ajustable, cela me parait facile à mettre en œuvre. Dans le cas le plus défavorable, Terre et Mars au plus proche, ce 2ème croisement serait situé avant que Mars termine son tour. Donc, on peut avoir dans ce cas très défavorable une durée de voyage de l'ordre d'un peu moins de 2 ans, disons 1 an et 9 mois. C'est un gain appréciable, par rapport à une attente de 2 ans pour le décollage + un trajet de 6 mois.
(je ne compte pas certaines trajectoires avec effet de fronde qui conduiraient à des différences de vitesse trop importantes entre le vaisseau et Mars, empêchant toute mise en orbite ou atterrissage)

Concernant la propulsion ionique, il y a une marge de manœuvre, mais ce n'est pas simple non plus. D'abord on peut compter au moins 8 mois pour la montée en orbite haute, puis, dans le cas standard, il faut ajouter grosso modo 10 mois pour aller vers Mars au plus rapide (sauf si on a des MW), ça fait donc 1 an et 1/2. A comparer aux 6 mois ...
Si ce n'est pas la bonne fenêtre, il est possible de partir plus tard.
S'il faut "attendre Mars" parce qu'on est devant (cas le plus défavorable), on doit pouvoir effectivement dépenser son énergie à cela, mais cela prendrait du temps et même beaucoup de temps. La propulsion ionique permet des trajectoires plus complexes, mais avec toujours des contraintes temporelles importantes. Difficile de faire des estimations, il y a beaucoup de paramètres, mais dans le cas le plus défavorable, j'imagine facilement 1 an de plus par rapport à l'optimal. Cela donnerait donc des délais entre 1 an et 1/2 dans le meilleur des cas à 2 ans et 1/2 dans le cas le plus défavorable.
En fait, le handicap de 8 mois pour la montée en orbite haute ne se rattrape tout simplement pas.
Cette étude "on the thumb" reste très approximative et dépend bien sûr de l'énergie à disposition pour les systèmes de propulsion ionique. Malgré tout, au moins pour les systèmes envisagés par les agences spatiales, il semble bien que dans le cas moyen, il faut grosso modo 8 à 9 mois de plus en propulsion ionique qu'en propulsion chimique.
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lambda0
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MessageSujet: Re: inconvénients de la propulsion ionique   Mer 23 Nov 2016 - 8:19

Argyre a écrit:

...sauf si on a des MW...

Ce qui serait bien évidemment le cas, il faut se placer dans le contexte du plan de Musk.
Si on dispose d'un super-lanceur capable d'envoyer des centaines de tonnes sur orbite d'un seul coup, déployer une centrale solaire de 50 MW et 400-500 tonnes ne devrait pas être tellement plus insurmontable que d'envoyer et transférer des milliers de tonnes d'ergols à chaque mission.
Je ne dis pas que c'est facile, mais je ne vois pas en quoi cela relève plus de la science fiction qu'un train de plus 10000 tonnes au décollage portant un gigantesque vaisseau polyvalent et réutilisable, suivi d'une noria de vaisseaux ravitailleurs.
Mais de toute façon, qu'un transport de fret Terre-Mars prenne 1 an plutôt que 6 mois me parait être tout à fait secondaire par rapport à d'autres difficultés de l'ITS, surtout si cela permet de diviser le nombre de ravitailleurs par deux.

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