Micro-ORION : simpler, cheaper, faster ?

[Pr. Théodose]

Bonjour à tous,

J'ai récemment déniché un article de Winterberg ma foi assez intéressant : Mini-fission–fusion explosive devices (mini-nukes) for nuclear pulse propulsion (Acta Astronautica Volume 57, Issue 9, November 2005, Pages 707-712)
(Je peux fournir l'article complet aux personnes intéressées, mais je préférerais le stocker durablement sur ce forum)
Pour résumer le tout schéma à l'appui, la bombe proposée a la taille d'un ballon de volley (r3=11 cm) et pèse 50 kg pour une puissance explosive de 4t équivalent TNT tout en n'ayant besoin que de 2g d'U235 du fait du système d'implosion à trois étages.

J'ai donc imaginé d'utiliser un tel type de micro-bombe pour un projet Orion-like très fortement miniaturisé comportant :
- un ensemble module habité-capsule de retour similaire au complexe Almaz-VA ou MOL-MercuryB (15*4 m, 20t)
- un magasin à munitions pris directement du projet Orion.
- une chambre de réaction hémisphérique inspirée du projet Daedalus (cf ci-dessus)
- potentiellement des Moteurs Fusée de Sustentation (MFS) orientés perpendiculairement à l'axe du vaisseau.

Plusieurs missions vers des astres dépourvus d'atmosphère comme la Lune, un géocroiseur ou Phobos peuvent être envisagées. Le profil général de vol serait le suivant :
- décollage de la Terre uniquement sur la poussée de boosters auxiliaires
- largage des boosters à 30 km d'altitude et démarrage du moteur principal
- mise en orbite basse terrestre puis TLI ou trajectoire directe d'échappement, puis trajet moteur éteint sur une trajectoire inertielle avec une durée du voyage aller-retour pouvant atteindre 90 jours au moins.
- placement sur une orbite finale circulaire (modèle de base) ou spiralant vers la surface (modèle à MFS)
-- atterrissage vertical sur moteur principal après une trajectoire parabolique de descente (modèle de base)
-- annulation de la composante horizontale de vitesse à l'aide du moteur principal avant atterrissage sur les MFS (modèle à MFS)
- déploiement des panneaux solaires et de l'instrumentation scientifique, séjour sur place jusqu'à une semaine.
- décollage vertical avec le moteur principal (modèle de base) ou sustentation avec les MFS avant démarrage à l'horizontale du moteur principal (modèle à MFS) et retour vers la Terre.
- mise en orbite terrestre du vaisseau, séparation puis désorbitation de la capsule de retour.

Voici pour ce long message d'introduction. Que pensez-vous de cette ébauche ?
Est-ce que, à votre avis, des bombes de 4t équivalent TNT et pesant 50 kg seraient suffisantes pour propulser un vaisseau de près de 25-30t ?

[yoann]

une fois j'ai lu qu'une reaction en chaine ne pouvai (avec de l'uranium) n'etre obtenu qu'avec 12kg minimum. il faut au moins une quantité (je sait plus combien) minimum, sinon, ca ne marche pas..... alors avec 2 grammes !!!!!!

[Pr. Théodose]

Les 12 kg que tu mentionnes correspondent à la masse critique "nue" obtenue sans compression ni réflecteur neutronique, alors qu'ici plusieurs étapes de compression et de chauffage indirect par fusion permettent de diviser par 10 le volume final du cœur fissile et sa masse critique par 5000, comme expliqué dans l'article :

The high explosive accelerates the outer aluminum shell from an initial velocity of 5 km/s at r = r3 , to 50 km/s at r = r2 , with the pusher at r = r1 accelerated to a velocity of 200 km/s heating the DT to 2 × 10⁷ K. The onset of fusion reactions in the DT reflector reduces the critical mass 50-fold, and with a final pressure of several 10¹⁴ dyn/cm² reached at an implosion velocity of several 100 km/s, the fissile core is compressed 10-fold, reducing the critical mass 100-fold (see Appendix C). The total reduction in the critical mass is 50×100=5000 . Assuming a critical mass of 10 kg for an uncompressed fissile material, this implies a critical mass of 2 g with the radius r0 = 0.3 cm for the fissile core.

[Henri]

31,50 $ le pdf, il y en a qui ne se mouchent pas du pied...
Sinon j'avais déjà vu le concept (qui est tabou parce que tout le monde assure la main sur le cœur qu'il est hors de question de fabriquer des dispositifs explosif nucléaires de faibles puissances pouvant avoir un usage militaire tactique). Pour la propulsion, ça devrait marcher mais il est peut probable de pouvoir politiquement le faire fonctionner avant d'être en orbite MEO. Maintenant des charges de 4t de TNT, ça commence à être intéressant pour tout le système solaire à condition que la masse des charges soit suffisamment faible...

[Meewan]

il me semble que les accords SALT1 signé entre l'URSS et les USA reste en vigueur et interdise toute "bombes" nucléaire en orbite or d'après ce que tu explique le vaisseau Orion utiliserais des "bombes" pour se propulser donc a moins d'une révisions dédits accords je ne pense pas que ce soit faisable. de plus ton moteur vas propulser par ac coups il faudrait donc un amortisseur capable d'absorber une explosion de plus ou moins 4 tonnes et relibérer l'énergie en douceur sous peine de voir l'équipage finir en confiture de framboise.

si les problèmes techniques peuvent probablement etre dépasser, le nucléaire étant actuellement un sujet sensible d'un point de vue international (voir les problèmes actuels avec l'Iran) je doutes que les avancées en terme de politique internationale soit possible avant qu'on ne trouve un meilleur moyen de propulsion.

[Henri]

Je savais que j'avais quelque chose à ce sujet, c'était dans le compte-rendu de l'ASPW 2003 (Advanced Space Propulsion Workshop 2003), le fichier 6d_winte.pdf à l'intérieur de la grosse archive (106Mo) située à cette adresse :
http://minilien.com/?UBBYdwo1kI
que j'avais déjà mis en ligne. Ce n'est pas le papier peer-reviewed de 2005, mais un preprint public de 2003 qui contient à peu près les mêmes informations...
Le fichier seul (6d_winte.pdf) est téléchargeable à l'adresse suivante :
http://minilien.com/?vjwK23ZlgM (et il ne pèse que 45 ko !)
Le titre de l'article était "Mini-Fission-Fusion Explosive Devices (Mini-Nukes) for Nuclear Pulse Propulsion"

[Space Opera]

Essai miniature du projet Orion: https://www.youtube.com/watch?v=E3Lxx2VAYi8

[Henri]

il me semble que les accords SALT1 signé entre l'URSS et les USA reste en vigueur et interdise toute "bombes" nucléaire en orbite or d'après ce que tu explique le vaisseau Orion utiliserais des "bombes" pour se propulser donc a moins d'une révisions dédits accords je ne pense pas que ce soit faisable. de plus ton moteur vas propulser par ac coups il faudrait donc un amortisseur capable d'absorber une explosion de plus ou moins 4 tonnes et relibérer l'énergie en douceur sous peine de voir l'équipage finir en confiture de framboise.

si les problèmes techniques peuvent probablement etre dépasser, le nucléaire étant actuellement un sujet sensible d'un point de vue international (voir les problèmes actuels avec l'Iran) je doutes que les avancées en terme de politique internationale soit possible avant qu'on ne trouve un meilleur moyen de propulsion.

C'est vrai que le traité en question (ce n'est pas SALT1, mais le traité de 1963 : http://www.nti.org/e_research/official_docs/inventory/pdfs/aptptbt.pdf) a été formulé à une époque ou les signataires n'envisageaient pas l'utilisation de mini-charges nucléaires pour la propulsion, il utilise donc également le terme "or any other nuclear explosion". Maintenant quand on voit comment le traité ABM a été unilatéralement dénoncé (pour la mauvaise cause lui)...
Pour la confiture de framboise, à ces niveaux d'énergie, un hémisphère "à la Daedalus" plongé dans un champ magnétique suffit... Ce n'est pas l'Orion classique dont les charges devaient tourner aux alentours du kt.
Là ou j'ai un sérieux doute c'est que l'on puisse atteindre des Isp qui justifient les inconvénients... À la louche, à 50 kg la charge de 4 t d'équivalent TNT, ça nous fait une énergie par unité de masse 80 fois supérieure à celle d'un réactif solide classique (exemple SRB) cad une Isp 9 fois supérieure cad ~2200s si tout marche bien... Or il faut un bouclier anti-radiation, une structure assez solide, un dispositifs de tir des charges, etc...

[Fan de Ducrocq]

Essai miniature du projet Orion: https://www.youtube.com/watch?v=E3Lxx2VAYi8

Hallucinant :shock:

Caps de cette vidéo:

[Pr. Théodose]

- Space Opera : tu m'as grillé la priorité, je comptais justement poster cette vidéo... On y voit bien que le principe de propulsion explosive pulsée est applicable pour des charges de faible puissance.
- Henri : merci tout d'abord d'avoir retrouvé le papier en question, cela va être utile pour les intervenants.
Sinon, je suis d'accord sur l'ISP limitée du système en l'absence d'un étage secondaire thermonucléaire. Deux améliorations potentielles sont listées dans l'article :

Still smaller mini-nukes with less high explosive are possible if the pusher is made from natural uranium, with the fast fission and fusion neutrons leading to an increased implosion velocity of the pusher. (F. Winterberg, Autocatalytic fusion–fission implosions, Atomkernenergie-Kerntechnik 44 (1984) 145)

On pourrait soit conserver la même puissance explosive avec une bombe plus légère, soit augmenter la puissance à masse constante. Et cela permettrait de réduire encore plus la consommation de matière fissile (micro-ORION : 2g pour 4T TNT soit 2 g/T | ORION : 10 kg pour 0.1-10 kT soit 1-100 g/T) qui constitue l'un des postes les plus couteux du système de propulsion.

Since still smaller mini-nukes appear possible, with their feasibility depending only on the technical perfection to
focus the chemical energy for ignition, the mini-nukes can be detonated inside a large combustion chamber connected to a Laval nozzle.

[chapi]

- Space Opera : tu m'as grillé la priorité, je comptais justement poster cette vidéo...

Pour le clin d'oeil, j'ai bien l'impression que l'accompagnement musical tragique (façon musique concrète, illustrant le thème "the death of a project") du reportage est issu de la bande son de 2001.

On y voit bien que le principe de propulsion explosive pulsée est applicable pour des charges de faible puissance.

A la lecture de vos posts et d'une partie des articles, je me demandais s'il n'y avait pas aussi - outre le problème que vous avez évoqué de performance versus complications - la difficulté intrinsèque des PDE : cycles d'accélérations stressant, avec ambiances dynamiques insoutenables pour n'importe quelle charge utile spatiale (par nature fragile, si elle est optimisée pour voyager en apesanteur dans le vide).

Avec le concept évoqué, allumage du moteur en haute atmosphère, quelles sont les ordres de grandeurs des accélérations atteintes ?

Au final, pour 2000 s d'isp et avec moins de complications, il vaut peut être mieux employer l'énergie nucléaire à produire de la chaleur ou un champ électrique dans un propulseur à plasma.

[Henri]

Et puis à tout faire, jetez donc un coup d'œil aux deux fichiers suivants :

• ACMF-ICAN-II.pdf
  
• Extraction Of Antiparticles Concentrated In Planetary Magnetic Fields (Bickford_Phase_II).pdf (bas de la page 14 et page 16)

À l'adresse :
http://minilien.com/?4r5lDlV8p1
La conjonction de ces deux papiers est très intéressante...

[lambda0]

ACMF-ICAN-II.pdf

Sauf erreur de ma part, 30 ng d'antiprotons pour chaque tir, à 1 Hz pendant 3 jours, ça fait environ 7.8 mg...
Ce que j'ai du mal à recouper avec cette valeur de 140 ng qu'on voit un peu partout.

[Henri]

ACMF-ICAN-II.pdf

Sauf erreur de ma part, 30 ng d'antiprotons pour chaque tir, à 1 Hz pendant 3 jours, ça fait environ 7.8 mg...
Ce que j'ai du mal à recouper avec cette valeur de 140 ng qu'on voit un peu partout.

Je viens de balayer tous les papiers sur le sujet, et il y a bien un joli bug là quelque part, et en plus l'incohérence entre la consommation par "pellet" et la consommation totale se trouve dans le même paragraphe... Il faudrait près de 100 des satellites décrits dans le deuxième papier pour collecter la quantité nécessaire d'antiH en 10 ans... Je passe sur les difficultés de stockage...

[lambda0]

ACMF-ICAN-II.pdf

Sauf erreur de ma part, 30 ng d'antiprotons pour chaque tir, à 1 Hz pendant 3 jours, ça fait environ 7.8 mg...
Ce que j'ai du mal à recouper avec cette valeur de 140 ng qu'on voit un peu partout.

Je viens de balayer tous les papiers sur le sujet, et il y a bien un joli bug là quelque part, et en plus l'incohérence entre la consommation par "pellet" et la consommation totale se trouve dans le même paragraphe... Il faudrait près de 100 des satellites décrits dans le deuxième papier pour collecter la quantité nécessaire d'antiH en 10 ans... Je passe sur les difficultés de stockage...

Sur la micro-fission fusion inertielle amorcée par des antiprotons, j'avais ceci dans mes tablettes :
http://cui.unige.ch/isi/sscr/phys/Perkins-Ort-Tabak.pdf
(je viens de voir qu'il est aussi dans ton répertoire)

Avec le schéma d'allumage rapide ("fast ignition"), il faut (2.5+0.62)e15 antiprotons, soit 5.2 ng, pour amorcer une explosion libérant 560 MJ (voir tableau résumé à la fin).
Pas du tout dans les bons ordres de grandeurs de l'ICAN, même en ne considérant que la phase d'allumage.
Maintenant, peut-être que les auteurs de l'ICAN considèreraient qu'une telle explosion est un étage primaire destiné à allumer la fusion dans un volume plus important.
Cela demanderait quelques éclaircissements, mais je n'ai jamais trouvé le détail de leur calcul.

A+

[Henri]

Tout ça nous ferait tout de même tourner aux alentours du mg d'antimatière... Soit 100 des satellites -que j'ai décrit précédemment- pendant 1 an (papier "Extraction Of Antiparticles Concentrated In Planetary Magnetic Fields (Bickford_Phase_II).pdf" page 16...

[urix]

Sur youtube il y a une vidéo d'un projet similaire, quoi que beaucoup plus grand, à celui que propose Pr. Théodose

Sinon pour l'utilisation de mini-nuke il y a un autre problème c'est celui de l'impulsion électromagnétique qui pourrait avoir des effets néfastes pour l'électronique de la flotte de satellites en orbite

[ManouchKa]

Salut all !
J'ai un doc sur le projet Orion, mais en anglais, si ça vous intéresse (??), je le mettrais demain.

[Pr. Théodose]

Manouchka : merci beaucoup pour la mise en ligne de ce documentaire très intéressant et comportant de nombreuses données inédites !

Par rapport au projet ORION original, je pense que les micro-bombes pourraient y avoir leur utilité en tant d'étages primaires des charges de propulsion : si l'on divise la masse de matière fissile par 5000, cela fait autant de retombées radioactives en moins.
Il serait même possible dans un proche avenir de se passer de matière fissile grâce à la mise au point de super-explosifs à haute pression formés temporairement durant l'implosion :
"Conjectured Metastable Super-explosives Formed Under High Pressure for Thermonuclear Ignition" F. Winterberg, J Fusion Energy 27 : 250–255 (2008) (article disponible sur demande, comme d'habitude)

If matter is suddenly put under a high pressure, for example, a pressure of 100 Mb = 10^14 dyn/cm2, it can undergo a transformation into molecular excited states, bound by inner electron shells, with keV potential wells for the electrons. If this happens, the electrons can under the emission of X-rays go into the groundstate of the molecule formed under the high pressure. At a pressure of the order of 10^14 dyn/cm2, these molecules store in their excited
states an energy with an energy density of the order of 10^14 erg/cm3, about 1,000 times larger than for combustible chemicals under normal pressures. Furthermore, with the much larger optical path length of keV photons compared to the path length of eV photons, these superexplosives can reach at their surface an energy flux density (c = 3x10^10 cm/s) of the order (c/3) x 10^14 = 10^24 erg/cm2s = 10^17W/cm2, large enough for the ignition of thermonuclear reactions.

Reste toujours le souci des impulsions électromagnétiques successives : je me demande d'ailleurs comment les concepteurs du projet initial comptaient protéger le vaisseau contre ce phénomène...

[Henri]

Manouchka : merci beaucoup pour la mise en ligne de ce documentaire très intéressant et comportant de nombreuses données inédites !

Par rapport au projet ORION original, je pense que les micro-bombes pourraient y avoir leur utilité en tant d'étages primaires des charges de propulsion : si l'on divise la masse de matière fissile par 5000, cela fait autant de retombées radioactives en moins.
Il serait même possible dans un proche avenir de se passer de matière fissile grâce à la mise au point de super-explosifs à haute pression formés temporairement durant l'implosion :
"Conjectured Metastable Super-explosives Formed Under High Pressure for Thermonuclear Ignition" F. Winterberg, J Fusion Energy 27 : 250–255 (2008) (article disponible sur demande, comme d'habitude)

If matter is suddenly put under a high pressure, for example, a pressure of 100 Mb = 10^14 dyn/cm2, it can undergo a transformation into molecular excited states, bound by inner electron shells, with keV potential wells for the electrons. If this happens, the electrons can under the emission of X-rays go into the groundstate of the molecule formed under the high pressure. At a pressure of the order of 10^14 dyn/cm2, these molecules store in their excited
states an energy with an energy density of the order of 10^14 erg/cm3, about 1,000 times larger than for combustible chemicals under normal pressures. Furthermore, with the much larger optical path length of keV photons compared to the path length of eV photons, these superexplosives can reach at their surface an energy flux density (c = 3x10^10 cm/s) of the order (c/3) x 10^14 = 10^24 erg/cm2s = 10^17W/cm2, large enough for the ignition of thermonuclear reactions.

Reste toujours le souci des impulsions électromagnétiques successives : je me demande d'ailleurs comment les concepteurs du projet initial comptaient protéger le vaisseau contre ce phénomène...

Il y a ça :
http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0805/0805.0340.pdf
Metastable Innershell Molecular State (MIMS)
Young K. Bae
Y.K. Bae Corporation, Tustin, California 92780
La référence [16] de la bibliographie du papier m'a rappelé de vieux souvenirs...;)