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 Impact de l'altitude de départ sur la performance d'un lanceur

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Merlin


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MessageSujet: Impact de l'altitude de départ sur la performance d'un lanceur   Mer 11 Avr 2018 - 9:56

Bonjour à tous,

Je me pose une question depuis quelques temps : Quel est l'impact de l'altitude de départ sur la performance d'un lanceur?
Les lancements ont généralement lieu au niveau de la mer, il doivent par conséquent franchir une distance maximale pour atteindre l'orbite, mais si le lancement avait lieu à, admettons, 4km d'altitude, la pression atmosphérique serait moindre, augmentant (sensiblement?) l'ISP des moteurs, le Max Q aurait lieu a une altitude plus élevé et serait moins "fort"... Bref est-ce que cela aurait un impact non négligeable sur la CU du lanceur?
Si quelqu'un qui aime bien les maths peut nous faire une démonstration simple, j'en serais enchanté :)
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ReusableFan




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MessageSujet: Re: Impact de l'altitude de départ sur la performance d'un lanceur   Mer 11 Avr 2018 - 10:06

Je laisse les experts répondre mais je pense que tous les projets de lancements en vol (Virgin, Stratolaunch, etc.) ont précisément pour but de tirer avantage de la moindre pression atmosphérique, qui me semble être la raison principale. 

De ce point de vue, le delta V de 1000 km/h environ d'un avion  à 10 km d'altitude me semble assez marginal compte tenu de la vitesse nécessaire pour obtenir l'orbite, bien plus importante (de l'ordre de 28.500 km/h).
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phenix


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MessageSujet: Re: Impact de l'altitude de départ sur la performance d'un lanceur   Mer 11 Avr 2018 - 12:35

L altitude au sens réductions de la distence entre le pas de tir et l orbite est négligeable.  L augmentation de l effet de fronde et la plus faibles gravité sont eu totalement insignifiant. Le plus gros effet est aérodynamique  avec une plus faible densité a toute les vitesse.  Un tir a haut altitudes est par exemple tres interesent pour un canon orbital créé avec moins de pertes aérodynamiques on peu envisagé un tir plus a plat et plus rapide pour réduire la poussée d apogée pour la circulation de l orbite.  Un tir a très haute altitude  (ballon sonde) permette aussi de données plus de liberté dans la conception en réduisant les contrainte aérodynamique.
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lambda0


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MessageSujet: Re: Impact de l'altitude de départ sur la performance d'un lanceur   Mer 11 Avr 2018 - 13:06

Je n'ai pas de chiffres sous la main sur le gain de performances, mais j'ai vu qu'une start-up toute récente, Leo Aerospace, envisage justement de lancer des microsatellites de 25 kg à partir de 18 km d'altitude, même plus haut que depuis un avion, en montant le lanceur avec un ballon.

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Fanch5629




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MessageSujet: Re: Impact de l'altitude de départ sur la performance d'un lanceur   Mer 11 Avr 2018 - 14:30

Petit calcul vite fait basé sur les données de télémesure du tir SpaceX CRS-14 : à T = 01mn 00s, l'altitude est de 7,3 km, la vitesse est de 993 km/h.

La trajectoire étant encore peu inclinée, les pertes par gravité sont à ce point d'environ g.T ~ 10.60 = 600 m/s. Voilà de quoi illustrer l'intérêt de tirer en altitude.

J'ai lu récemment (source à retrouver) que les pertes par gravité représentent 40 à 50 % des ergols consommés par le premier étage, les pertes par trainée aérodynamiques ne s'élevant qu'à 10 %.
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Craps




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MessageSujet: Re: Impact de l'altitude de départ sur la performance d'un lanceur   Mer 11 Avr 2018 - 15:42

Fanch5629 a écrit:
Petit calcul vite fait basé sur les données de télémesure du tir SpaceX CRS-14 : à T = 01mn 00s, l'altitude est de 7,3 km, la vitesse est de 993 km/h.

La trajectoire étant encore peu inclinée, les pertes par gravité sont à ce point d'environ g.T ~ 10.60 = 600 m/s. Voilà de quoi illustrer l'intérêt de tirer en altitude.

J'ai lu récemment (source à retrouver) que les pertes par gravité représentent 40 à 50 % des ergols consommés par le premier étage, les pertes par trainée aérodynamiques ne s'élevant qu'à 10 %.
Super intéressant comme données. 
Je rêverais d'une vidéo de technique spatiale sur ce sujet: la trajectoire des lanceurs avec les différentes contraintes évoquées ici: pertes aérodynamiques, par gravité, choix du nombre d'étages, proportions entre les différents étages...


10% de perte aérodynamiques et un gain sur les pertes par gravité auxquelles il faut ajouter la possibilité d'utiliser des tuyères optimisées pour fonctionner à faible pression avec un gain de performance à la clé.
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Syl35




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MessageSujet: Re: Impact de l'altitude de départ sur la performance d'un lanceur   Mer 11 Avr 2018 - 15:44

Fanch5629 a écrit:
Petit calcul vite fait basé sur les données de télémesure du tir SpaceX CRS-14 : à T = 01mn 00s, l'altitude est de 7,3 km, la vitesse est de 993 km/h.

La trajectoire étant encore peu inclinée, les pertes par gravité sont à ce point d'environ g.T ~ 10.60 = 600 m/s. Voilà de quoi illustrer l'intérêt de tirer en altitude.

J'ai lu récemment (source à retrouver) que les pertes par gravité représentent 40 à 50 % des ergols consommés par le premier étage, les pertes par trainée aérodynamiques ne s'élevant qu'à 10 %.

En effet, un lancement à 10km d'altitude permet grossièrement, en théorie, de réduire environ de moitié la masse du lanceur sauf que cela est très dépendant du mode de lancement.
Car dans le cas d'un lancement sous porteur type avion (le cas le plus étudié et testé), la fusée doit être équipée soit d'appendices aérodynamiques soit d'un calage de tuyère pour effectuer la ressource. Soit des deux, comme sur le PEGASUS. Plus la pente de largage est forte, moins cette ressource sera forte. Mais autant il est "facile" pour un avion de chasse surpuissant de larguer un missile avec une pente de 70/80° autant pour un porteur plus massif type avion de ligne, la pente se limite rapidement à 30 ou 40°. La vitesse au moment du largage est aussi importante.

Au final, cette masse supplémentaire (pour des ailes) et la perte de perfo avec le calage de tuyère ou la trainée aéro des ailes à forte incidence alourdissent le bilan final.

Dans le cas d'un ballon, il y a des problématiques de sauvegarde fortes (dépendance du vent très importante, perte probable de la fusée et sa CU si pas de lancement, etc...), les soucis stabilité de la plateforme et une vitesse totalement nulle au moment de l'allumage. Par contre il permet de mettre la fusée quasi à la verticale (mais il faut pour cela soit plusieurs ballons espacés, soit que la fusée transperce le ballon à l'allumage).
Une autre startup un peu plus avancée probablement que Leo Aerospace et européenne --> Zero2Infinity

Edit: soit lancer avec un peu de pente pour passer à côté du ballon comme pour Bloonstar mais il faut être assez haut en altitude dans ce cas.
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phenix


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MessageSujet: Re: Impact de l'altitude de départ sur la performance d'un lanceur   Mer 11 Avr 2018 - 17:41

Fanch5629 a écrit:
Petit calcul vite fait basé sur les données de télémesure du tir SpaceX CRS-14 : à T = 01mn 00s, l'altitude est de 7,3 km, la vitesse est de 993 km/h.

La trajectoire étant encore peu inclinée, les pertes par gravité sont à ce point d'environ g.T ~ 10.60 = 600 m/s. Voilà de quoi illustrer l'intérêt de tirer en altitude.

J'ai lu récemment (source à retrouver) que les pertes par gravité représentent 40 à 50 % des ergols consommés par le premier étage, les pertes par trainée aérodynamiques ne s'élevant qu'à 10 %.
Si seulement le monde etait aussi simple. 
Ce calcul est valable uniquement si on lancé une falcon 9 -60 s d ergole depuis 7km  avec une vitesse initiale de 1000 km/h. pendant cette phase,  la fusée ne fait que accélère la prise d altitude nest qu' une conséquence de cette accélération. 
 Imaginons deux fusée identique  (masse initiale,  poussée, isp,  isp et pousse identique donne une consommation identique donc une masse a chaque instant identique ) lancé de 0 et 7km d altitude  (difference de gravité négligeables ) dans sur une plante sans atmosphère  (donc pas de perte aérodynamique ). L accélération  verticale serai identique  (a=poussée /masse -g) dnc le temps et la augmentation d altitude pour atteindre une meme vitesse serai identique et donc les pertes gravitationnelles aussi. L'accélération nécessaire pour que la fusée du bas rehaussé son apogée est très faible.  Bref le seul  vrai grain d un tir en altitudes c est les pertes atmopherique
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Petite Crevette


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MessageSujet: Re: Impact de l'altitude de départ sur la performance d'un lanceur   Mer 11 Avr 2018 - 19:39

phenix a écrit:
Bref le seul  vrai grain d un tir en altitudes c est les pertes atmopherique

En fait, si on prend l'exemple du lanceur Pegasus qui est aéroporté, l’altitude à laquelle la fusée est lancée permet de s’affranchir des contraintes météorologiques de la troposphère dans laquelle se déroulent les phénomènes météorologiques les plus violents.

Mais effectivement, à 12 000 mètres, Pegasus se trouve dans la stratosphère et ne subit pas une pression aérodynamique aussi forte qu’au sol. Par conséquent, la tuyère du moteur du premier étage a pu être conçu et rallongé pour des pressions d'air ambiant plus faibles ce qui améliore l'efficacité du moteur. Et finalement, le contrôle d'attitude de la fusée peut être effectué par ses petites ailettes, qui serait plus compliqué à gérer au sol (vents latéraux plus violent au sol qu'en haute altitude), et qui permet d'éviter le recours à un système de contrôle vectoriel de la poussée sur le moteur d'un premier étage facilitant ainsi sa conception.
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Maurice




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MessageSujet: Re: Impact de l'altitude de départ sur la performance d'un lanceur   Jeu 12 Avr 2018 - 11:34

Sachant toutefois que l'accélération peut être fournie par le porteur de la fusée ce qui amènerait à le considérer comme une sorte de premier étage.
Un Dassault Rafale peut grimper jusqu'à 15km à 2200 km/h, c'est loin d'être négligeable pour servir de premier étage à une petite fusée.
Par contre si l'idée c'est de lancer en haut d'une montagne, vu la complexité pour acheminer la fusée sur son pas de tir ça ressemble à un mauvais plan !
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Anovel




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MessageSujet: Re: Impact de l'altitude de départ sur la performance d'un lanceur   Jeu 12 Avr 2018 - 21:23

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