"Small is beautiful" : les microfusées

[lambda0]

Je suis tombé là dessus un peu par hasard :
http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=13751704

L'astronautique, et les fusées en particulier, évoque plutôt une course vers le gigantisme, mais pour reprendre l'idée de Feynmann, "il y a de la place vers le bas", et celà peut s'appliquer aussi à l'astronautique.
Il y a une dizaine d'années, je m'extasiais devant le plus petit moteur diésel du monde, exposé au musée des techniques de Munich : ce moteur mesurait à l'époque un peu moins d'un millimètre.
La technique permet maintenant de concevoir des moteurs fusée complet, avec chambre de combustion, tuyère, etc., à des échelles microscopiques : c'est un type de MEMs.

Voir aussi :
http://www.laas.fr/~chaalane/web_site/source_file/pageweb_Projet-Protac.htm
http://www.newscientist.com/article/mg17022883.700-microrocket-will-blast-off-into-the-heart-of-a-twister.html
http://www-mtl.mit.edu/research/annual_reports/2002/02_mems/rocket_engines.pdf

Des fusées de la taille d'un dé à coudre placeront sur orbite des charges utiles de la taille d'un grain de sable.
Si on m'avait dit qu'on "graverait" des fusées dans une plaque de silicium, comme des milliards de composants électroniques...

[Henri]

Je suis tombé là dessus un peu par hasard :
http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=13751704

L'astronautique, et les fusées en particulier, évoque plutôt une course vers le gigantisme, mais pour reprendre l'idée de Feynmann, "il y a de la place vers le bas", et celà peut s'appliquer aussi à l'astronautique.
Il y a une dizaine d'années, je m'extasiais devant le plus petit moteur diésel du monde, exposé au musée des techniques de Munich : ce moteur mesurait à l'époque un peu moins d'un millimètre.
La technique permet maintenant de concevoir des moteurs fusée complet, avec chambre de combustion, tuyère, etc., à des échelles microscopiques : c'est un type de MEMs.

Voir aussi :
http://www.laas.fr/~chaalane/web_site/source_file/pageweb_Projet-Protac.htm
http://www.newscientist.com/article/mg17022883.700-microrocket-will-blast-off-into-the-heart-of-a-twister.html
http://www-mtl.mit.edu/research/annual_reports/2002/02_mems/rocket_engines.pdf

Des fusées de la taille d'un dé à coudre placeront sur orbite des charges utiles de la taille d'un grain de sable.
Si on m'avait dit qu'on "graverait" des fusées dans une plaque de silicium, comme des milliards de composants électroniques...

Plutot que la mise sur orbite, j'ai cru lire qu'il s'agirait de microfusées capables de propulser à quelques dizaines de mêtres d'altitude et dans un environnement hostile de petites charges utiles très spécialisées, ou encore de dispositifs de controle d'attitude et/ou de stabilisation...

[lambda0]

Oui, oui, c'est moi qui ait extrapolé...
Les premières applications spatiales évoquées concernent le contrôle dd'attitude de satellites.
Mais je me suis demandé s'il était possible que des microfusées atteignent un jour l'orbite : on pourrait imaginer un avion volant à assez haute altitude (pour limiter les pertes dûes à la résistance de l'air) larguant un essaim de microfusées de quelques dizaines de grammes chacune, qui rejoindraient l'orbite.
Intérêt : fabrication entièrement automatisée, en grande série, pour un coût très faible, pour placer en orbite des charges utiles fractionnables (eau, combustible, etc.).
Plutôt que de lancer une fusée à 100 millions d'euros pour acheminer 10t d'eau en orbite, on envoie quelques millions de microfusées contenant chacune une goutte d'eau, coûtant quelques euros pièce.

A+

[Giwa]

Très interessant ses microfusées ...et pourquoi pas extrapoler ;) vers des nano engins spatiaux ...pousser par des faisceaux lasers...car là je doute que le principe de la fusée puisse encore s'appliquer...
il faut explorer toues les voies vers l'Espace...j'ai un vague souvenir d'une proposition d'envoyer à la conquête de Mars une armada de microrobots...des sortes de fourmis mécaniques...et électroniques .
Cordialement,
Giwa

[Apolloman]

:shock: :shock: C'est fou ce qu'on peut faire maintenant!

[lambda0]

Très interessant ses microfusées ...et pourquoi pas extrapoler ;) vers des nano engins spatiaux ...pousser par des faisceaux lasers...car là je doute que le principe de la fusée puisse encore s'appliquer...
il faut explorer toues les voies vers l'Espace...j'ai un vague souvenir d'une proposition d'envoyer à la conquête de Mars une armada de microrobots...des sortes de fourmis mécaniques...et électroniques .
Cordialement,
Giwa

Si des microfusées pouvaient atteindre la vitesse orbitale, il n'en faudrait pas beaucoup plus pour se placer sur une trajectoire interplanétaire, le principe de la fusée s'applique aussi bien.
Par contre, chaque microfusée serait assez rudimentaire : pas de possibilité de communication avec la Terre, source d'énergie très limitée permettant juste le fonctionnement de l'électronique et éventuellement une communication avec les autres microfusées de l'essaim.
Et pour le guidage, on s'inspire des moustiques !
Exemple : acheminer une tonne d'eau vers l'ISS
Une avion largue à haute altitude un essaim de microfusées, de quelques dizaines de grammes chacune, contenant quelques décigrammes d'eau. Les microfusées ont une cellule sensible à la lumière, à une longueur d'onde précise. Et dans quelques grammes, on peut quand même caser un peu d'électronique pour faire quelques calculs.
Quand l'essaim arrive à quelques dizaines de km de l'ISS, l'ISS l'éclaire avec un faisceau laser, et l'essaim se dirige automatiquement vers cette source de lumière.
Plus qu'à étendre une surface de papier attrape-mouches, et voilà ! 8-)

[lambda0]

Recherches à la NASA :
http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT1998/5000/5430schneider2.html

Isp=300s, et rapport poussée/poids=1500...

[Henri]

Recherches à la NASA :
http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT1998/5000/5430schneider2.html

Isp=300s, et rapport poussée/poids=1500...

300 s avec du kérosène oui, mais avec de l'éthanol, c'est déjà très optimiste.
Un rapport poussée/poids de 1500 ! Par quel coup de baguette magique ? La chambre devrait être tellement fine qu'elle ne résisterait pas aux 125 bar de pression annoncés...

[lambda0]

Recherches à la NASA :
http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT1998/5000/5430schneider2.html

Isp=300s, et rapport poussée/poids=1500...

300 s avec du kérosène oui, mais avec de l'éthanol, c'est déjà très optimiste.
Un rapport poussée/poids de 1500 ! Par quel coup de baguette magique ? La chambre devrait être tellement fine qu'elle ne résisterait pas aux 125 bar de pression annoncés...

Si on regarde la photo sur la pièce de monnaie, la parois semble justement assez épaisse par rapport aux autres dimensions.
Ensuite, il faut voir aussi ce que ça donne avec les rapports d'échelle : quand les dimensions linéaires sont divisées par d, les surfaces sont divisées par d² (et donc certaines forces), les volumes par d3, ...ce qui peut être trompeur par rapport à l'intuition qu'on peut avoir du comportement de moteur 100 fois plus grands en dimensions linéaires.

[Skyboy]

Exemple : acheminer une tonne d'eau vers l'ISS
Une avion largue à haute altitude un essaim de microfusées, de quelques dizaines de grammes chacune, contenant quelques décigrammes d'eau. Les microfusées ont une cellule sensible à la lumière, à une longueur d'onde précise. Et dans quelques grammes, on peut quand même caser un peu d'électronique pour faire quelques calculs.
Quand l'essaim arrive à quelques dizaines de km de l'ISS, l'ISS l'éclaire avec un faisceau laser, et l'essaim se dirige automatiquement vers cette source de lumière.
Plus qu'à étendre une surface de papier attrape-mouches, et voilà ! 8-)

Ça carbure dans ta tête lambda0, félicitations !
T'as de très bonnes idées. À mon avis tout ça sera très faisable. Les nanotechs et la microrobotique sont des domaines qui avancent très vite, il ne leur manquera bientôt plus que des bonnes idées.

[Henri]

Recherches à la NASA :
http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT1998/5000/5430schneider2.html

Isp=300s, et rapport poussée/poids=1500...

300 s avec du kérosène oui, mais avec de l'éthanol, c'est déjà très optimiste.
Un rapport poussée/poids de 1500 ! Par quel coup de baguette magique ? La chambre devrait être tellement fine qu'elle ne résisterait pas aux 125 bar de pression annoncés...

Si on regarde la photo sur la pièce de monnaie, la parois semble justement assez épaisse par rapport aux autres dimensions.
Ensuite, il faut voir aussi ce que ça donne avec les rapports d'échelle : quand les dimensions linéaires sont divisées par d, les surfaces sont divisées par d² (et donc certaines forces), les volumes par d3, ...ce qui peut être trompeur par rapport à l'intuition qu'on peut avoir du comportement de moteur 100 fois plus grands en dimensions linéaires.

Après une petite vérification algébrique, voilà ce que cela donne en assimilant grossièrement une chambre de combustion à un cylindre et avec :
C : contrainte subie par le matériau
R : rayon du cylindre
pr : pression à l'intérieur de la chambre
e : épaisseur de la chambre
L : longueur du cylindre
rho : la masse volumique du matériau
P : la poussée
M : masse du cylindre
α et β des constantes

C=R*pr/e
P=α*R² (EDIT : poussée proportionnelle à la section de la chambre de combustion)
M=e*L*2*π*R*rho
L=β*R (comme indiqué dans la photographie, les rapports de dimensions de la chambre sont les mêmes que pour les moteurs traditionnels)
J'obtiens par substitutions :
P/M=α*C/(2*π*β*R*pr*rho)~1/R ok, ça tient la route.

[Henri]

Il reste à voir comment évolue le rapport débit/masse des turbopompes d'alimentation en ergols de la chambre quand on les miniaturise...
Si le même type de loi de dimensionnement fonctionne pour elles, ce ne sont pas seulement des microfusées qui sont autorisées (n'oublions pas que les petites fusées sont handicapées face aux grandes lors de la traversée des couches atmosphériques denses). Il serait aussi possible de remplacer les gros moteurs par des panneaux intégrés de milliers voire de millions de micromoteurs.

[Socrates]

(...) Il serait aussi possible de remplacer les gros moteurs par des panneaux intégrés de milliers voire de millions de micromoteurs.

C'est un concept intéressant. Je n'avais jusque-là envisagé que des panneaux avec une multitude de micro-pulsoréacteurs (meilleur rendement théorique).

[Socrates]

Un problème majeur posé par la miniaturisation est que les dimensions sont limitées par la vitesse de la réaction chimique, si l'on ne veut trop perdre en rendement.

[Henri]

Un problème majeur posé par la miniaturisation est que les dimensions sont limitées par la vitesse de la réaction chimique, si l'on ne veut trop perdre en rendement.

As tu des données numériques à ce sujet ?
EDIT : j'ai trouvé çà :
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20040053601_2004055288.pdf
et ça :
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20040000955_2003138392.pdf
qui datent de 2003

[Socrates]

Désolé, je n'ai pas cela. J'ai lu quelques docs au sujet de la conception des moteur-fusée et j'ai été sidéré par le nombre monstrueux (!) de notions et de paramètres qui sont impliqués, requis pour bien (?) comprendre ce qui se passe... Plus complexe tu meurs!

[Giwa]

Très interessant ses microfusées ...et pourquoi pas extrapoler ;) vers des nano engins spatiaux ...pousser par des faisceaux lasers...car là je doute que le principe de la fusée puisse encore s'appliquer...
Cordialement,
Giwa

Si des microfusées pouvaient atteindre la vitesse orbitale, il n'en faudrait pas beaucoup plus pour se placer sur une trajectoire interplanétaire, le principe de la fusée s'applique aussi bien.

Effectivement si la technologie des micro fusées progressaient jusqu’à la satellisation, il y aurait aucune raison que l’on s’arrête en si bon chemin…et alors en avant pour la libération.

Le domaine du Mini, du micro ,voire du Nano pour le Spatial est à explorer au même titre que celui du Giga.

Ainsi paradoxalement plus on descend vers les microstructures plus elles peuvent supporter des accélérations gigantesques…il suffit de réfléchir aux accélérations centripètes titanesques que supportent les particules élémentaires dans les synchrocyclotrons ou les décélérations encore plus fabuleuses qu’elles doivent subir pour « décortiquer» leur structure.

De même communiquer des vitesses de 12 km/s à des micro structures sur des distances de quelques dizaines de mètre devraient être réalisables. Avec une vitesse d’éjection de v = 12 km/s et une distance d d’accélération uniforme

de 25 m, l’accélération a sera : a = ( v 2 )/ 2d soit : a # 3 Mm/(s2) ou environ 300 000 G supportable par des micro structures.

Il suffit d’intégrer l’accélérateur à un avion suborbital (comme tu le préconisais pour les micro fusées ) plafonnant à son apogée vers 100 km au moment du tir pour résoudre en même temps le problème de la traversée atmosphérique.
Cordialement,:)

Giwa

[Henri]

Ne délirons tout de même pas trop :

1. D'après les sources du NASA Technical Reports Server que j'ai donné, la flamme de combustion n'est pas stable pour une dimension de chambre inférieure à 1 mm.
   
2. Ne pas oublier que le poids, donc aussi la poussée d'un lanceur sont proportionnels au cube de sa taille, alors que la traînée atmosphérique est proportionnelle au carré de sa taille. Les rapports Traînée/Poussée évoluent donc en 1/Taille.
   Ce qui signifie que diminuer la taille d'un lanceur d'un facteur 10, c'est augmenter le rapport Traînée/Poussée du même facteur 10 !
   

C'est pour cette raison que j'envisageais la possibilité d'utiliser cette technologie dans des lanceurs traditionnels en remplaçant les grosses chambres de combustion par des panneaux intégrés d'une multitude de chambres de combustion millimétriques.

[mic8]

Ne délirons tout de même pas trop :[...]

Je n'ai absolument pas le temps ces jours de refaire des calculs (et pour certains je n'ai absolument pas le niveau), mais il me semble que le rapport poid/puissance doit rendre impossible le lancement de tels mini-systèmes avec les ISP réalisables actuellement ?
Ou me gourre-je profondément ?

[Henri]

Ne délirons tout de même pas trop :[...]

Je n'ai absolument pas le temps ces jours de refaire des calculs (et pour certains je n'ai absolument pas le niveau), mais il me semble que le rapport poid/puissance doit rendre impossible le lancement de tels mini-systèmes avec les ISP réalisables actuellement ?
Ou me gourre-je profondément ?

Ce n'est pas un problème de rapport poids/puissance, mais plutot de rapport traînée/poussée qui handicape les petits lanceurs...

[mic8]

Ce n'est pas un problème de rapport poids/puissance, mais plutot de rapport traînée/poussée qui handicape les petits lanceurs...

Donc je me gourre, mais pas profondément !? :lolnasa:

[Giwa]

Les rapports Traînée/Poussée évoluent donc en 1/Taille.
Ce qui signifie que diminuer la taille d'un lanceur d'un facteur 10, c'est augmenter le rapport Traînée/Poussée du même facteur 10 !

Tout à fait d'accord avec cette analyse. C'est pour çà que si des microstructures sont dans l'avenir lancées dans l'espace , il me semble nécessaire de les lancer au moins vers 100 km d'altitude par exemple à partir d'un engin suborbital ou d'une station spatiale., là où la trainée atmosphérique devient très faible .
Giwa

[lambda0]

Henri vient de référencer un article décrivant des panneaux de micromoteurs ioniques :
http://www.niac.usra.edu/files/library/meetings/annual/oct06/1382Gilchrist.pdf