Et au fait, le diamètre de la fusée ....

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Bonjour,

Question technique : pourquoi construit-on des fusées aussi hautes ? Ne serait-il pas préférable de construire une fusée avec un diamètre un peu plus large et de diminuer dans le même temps la hauteur ?
J'avoue ne pas avoir de réponse claire à cette question.
Quelqu'un pourrait-il apporter ses lumières ?

Argyre
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Un peu au hasard et avec la premiere reponse qui me vient à l'esprit: l'aerodynamisme?
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spaceX

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La première idée qui me vient à l'esprit: c'est les contraintes mécaniques (de cisaillement, de flexion) des matériaux sur une telle structure...
Ensuite on à la l'aérodynamisme (oups... Devancé par spaceX)
10m de diamètre à l'époque pour le S-IC et le S-II du lanceur Saturn V était un record
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J'ai envie de dire que c'est aussi une question de résistance à la poussée, en particulier des réservoirs d'ergol. Les parois extérieures de même épaisseur résisterons mieux à l'écrasement avec une section plus réduite qu'avec un grand diamètre.
Mais bon c'est une réponse un peu hasardeuse aussi ;)
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Je dirai aussi surtout une question de stabilité. je ne sait plus ou j'ai lu sa, mais il me semble que plus une fusée est haute, plus elle est "maniable", un truc par rapport au centre de gravité ou je sait plus quoi.
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Pourtant Energya est plutot large.
N'y aurait il pas un aspect aerodynamique ?
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Moi je crois que c'est une facilité de construction qui est mise en cause. La question aérodynamique peu se rattraper disons dans le design de la fusée. De plus, le développement d'un pseudo standard permet ainsi d'économiser sur la construction des lanceurs et les outils et équipements nécessaires à leur fabrication sont ainsi les mêmes... Je dirais aussi que c'est une réponse hasardeuse de ma part mais je pense logique alors... Plus facile à construire si la structure en aiguille est filiforme c'est du copier/ coller...
:D
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spacemansan

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Dans un certain nombre de cas (presque tous ?) le gabarit pour le transport : avéré pour le lanceur Proton (gabarit ferroviaire) avec en plus les moteurs et les réservoirs de carburant rejetés à l'extérieur du corps du 1er étage. C'est également le cas pour les propulseurs d'appoint de la navette (gabarit routier ?). Saturn V (10 m de diamètre pour les deux premiers étages) n'obéissait par à cette contrainte mais les sites de fabrication avaient été soigneusement choisis (utilisation de la voie d'eau pour le 1 et 2ème étage).
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Pline

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Il y a effectivement des tas d'intérêt: aérodynamisme, agilité (le contrôle est bien plus réactif comme ça), sloshing, résistance des matériaux (facteur de forme + pression interne), etc...
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@Space Opera a écrit:Il y a effectivement des tas d'intérêt: aérodynamisme, agilité (le contrôle est bien plus réactif comme ça), sloshing, résistance des matériaux (facteur de forme + pression interne), etc...
Oui, mais il y a tout de même un intérêt à compacifier les réservoirs pour diminuer la masse structurelle non ?
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Dans tous les cas, les réservoirs sont déjà aujourd'hui relativement sphériques dans leur compartiment, mais les matériaux pèseraient au final bien plus lourd s'ils l'étaient complètement sachant qu'il faudrait des réservoirs certes moins hauts et plus larges, mais aussi des structures cylindriques plus larges aussi, le tout devant supporter des contraintes plus fortes. Même en termes de masse pure, on y gagne à avoir un rapport surface/volume non optimal d'un point de vue mathématique.
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Cette forme assez allongée est un compromis entre plusieurs contraintes.
Si on recherchait seulement à réduire la masse de la structure par rapport à celle des ergols embarqués, la forme sphérique – celle dont le rapport de la surface au volume est minimal – serait la meilleure.
Mais déjà on rejette cette forme pour la forme cylindrique de construction plus facile.
E si on n’en restait alors à ce critère du rapport de la surface au volume minimal, on démontre que la hauteur H d’un cylindre doit être le double de son rayon R.
Et pourtant manifestement ce rapport est bien plus grand pour les fusées d’allure cylindrique !
Pourquoi ?
Il faut faire intervenir une nouvelle contrainte le Max Q : phase où la pression dynamique sur la fusée est maximale :

http://translate.google.com/translate?hl=fr&langpair=en|fr&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Max_Q

Pour la réduire il faut réduire le maîre-couple de la fusée donc réduire son diamètre et l’allonger pour garder la même capacité.
Evidemment là encore il y a une limite car ainsi on augmente la masse de la structure par rapport à celle des ergols.

Un autre critère intervient aussi celui de la stabilité et là attention aux idées préconçues : les formes les plus stables ne sont pas celles à large base - du moins après le décollage…car en cours de vol il n’ya plus de polygone de sustentation et le critère qui intervient est le moment d’inertie et des formes allongées ont des moments d’inertie plus importants - selon leur axe principal -, ce qui permet de les maintenir en équilibre dynamique plus facilement. Faites l’expérience :il est plus facile de maintenir sur un doigt une tige allongée qu’un bâton plus court .
Mais là encore il ne faut pas exagérer car les réponses à vos rectifications deviennent de plus en plus lentes et vous finirez par ne plus avoir le laps de temps nécessaire à redresser l’objet en équilibre.
Au fait qui tient le rôle du doigt pour une fusée : les tuyères orientables.
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Giwa
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@Giwa a écrit:Cette forme assez allongée est un compromis entre plusieurs contraintes.
Si on recherchait seulement à réduire la masse de la structure par rapport à celle des ergols embarqués, la forme sphérique – celle dont le rapport de la surface au volume est minimal – serait la meilleure.
Mais déjà on rejette cette forme pour la forme cylindrique de construction plus facile.
E si on n’en restait alors à ce critère du rapport de la surface au volume minimal, on démontre que la hauteur H d’un cylindre doit être le double de son rayon R.
Donc hauteur égale diamètre. Ok, mais est-ce qu'on ne saurait pas faire des formes intermédiaires du style tonneau ?

@Giwa a écrit:
Et pourtant manifestement ce rapport est bien plus grand pour les fusées d’allure cylindrique !
Pourquoi ?
Il faut faire intervenir une nouvelle contrainte le Max Q : phase où la pression dynamique sur la fusée est maximale :

http://translate.google.com/translate?hl=fr&langpair=en|fr&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Max_Q

Pour la réduire il faut réduire le maîre-couple de la fusée donc réduire son diamètre et l’allonger pour garder la même capacité.
Evidemment là encore il y a une limite car ainsi on augmente la masse de la structure par rapport à celle des ergols.
On en apprend tous les jours !
Je n'ai rien vu néanmoins sur les implications concrètes de cette contrainte, c'est à dire sur la masse structurelle supplémentaire qui en résulterait si on augmentait le diamètre de la fusée de 1 mètre.

@Giwa a écrit:
Un autre critère intervient aussi celui de la stabilité et là attention aux idées préconçues : les formes les plus stables ne sont pas celles à large base - du moins après le décollage…car en cours de vol il n’ya plus de polygone de sustentation et le critère qui intervient est le moment d’inertie et des formes allongées ont des moments d’inertie plus importants - selon leur axe principal -, ce qui permet de les maintenir en équilibre dynamique plus facilement. Faites l’expérience :il est plus facile de maintenir sur un doigt une tige allongée qu’un bâton plus court .
Mais là encore il ne faut pas exagérer car les réponses à vos rectifications deviennent de plus en plus lentes et vous finirez par ne plus avoir le laps de temps nécessaire à redresser l’objet en équilibre.
Au fait qui tient le rôle du doigt pour une fusée : les tuyères orientables.
Tu aurais dû faire prof de physique !

En fin de compte, peut-on raisonnablement penser que les ingénieurs ont pris en compte tous ces paramètres et ont choisi une solution optimale ... ou est-ce qu'il y a des améliorations à attendre qui iraient dans le sens d'une augmentation du diamètre des fusées si les conditions de transport le permettaient ?
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@Argyre a écrit:Tu aurais dû faire prof de physique !

Tu vas rire, je crois bien que c'en était un ;)
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@Argyre a écrit:

En fin de compte, peut-on raisonnablement penser que les ingénieurs ont pris en compte tous ces paramètres et ont choisi une solution optimale ... ou est-ce qu'il y a des améliorations à attendre qui iraient dans le sens d'une augmentation du diamètre des fusées si les conditions de transport le permettaient ?
Comme toi j'en doute un peu ...Il y a tant d'autres considérations et pour être un peu vulgaire comme "casser son matériel", "le fric " etc...
Et puis au niveau construction, on a fait quelque progrès et on pourrait peut-être envisagé des formes plus élaborées que le cylindre.

@Apolloman a écrit:
@Argyre a écrit:Tu aurais dû faire prof de physique !

Tu vas rire, je crois bien que c'en était un ;)
Tout finit par se savoir dans ce monde du Big Brother !
;)
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Giwa
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Si on augmente trop le diamètre ... on est plus pénalisé par la resistance de l'air pendant la première phase du vol (ce qui est très pénalisant en terme de besoin en puissance moteur et en consommation d'ergols, c'est la période où l'engin est le plus lourd).
On peut comparer cela au Cx d'un automobile .... entre une Ferrari, un camping-car ou un camion citerne ..... la section qui pénétre dans l'air n'est pas la même .... on voit que cela a son importance.
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@montmein69 a écrit:Si on augmente trop le diamètre ... on est plus pénalisé par la resistance de l'air pendant la première phase du vol (ce qui est très pénalisant en terme de besoin en puissance moteur et en consommation d'ergols, c'est la période où l'engin est le plus lourd).
On peut comparer cela au Cx d'un automobile .... entre une Ferrari, un camping-car ou un camion citerne ..... la section qui pénétre dans l'air n'est pas la même .... on voit que cela a son importance.

La force de résistance de l'air est proportionnelle à la surface de pénétration (k.S.V2), mais la force gravitationnelle qu'il faut vaincre est proportionnelle à la masse (m.g) de la fusée. Or, la surface d'une sphère varie avec le carré du rayon alors que sa masse varie avec le cube du rayon. Autrement dit, plus un objet est grand, plus la résistance de l'air devient négligeable devant la force gravitationnelle et donc la poussée qui doit s'y opposer. Les amateurs de vélo savent qu'en decente, au point mort, une voiture prend plus de vitesse qu'un vélo, même si le cycliste se met en position aérodynamique. De même, les experts en astéroïdes savent qu'un gros astéroïde tombant sur Terre ne sera pratiquement pas freiné par l'atmosphère et les gens intéressés par les missions martiennes (:D ) savent qu'un gros et lourd vaisseau ne peut pas être efficacement freiné dans l'atmosphère ténue de Mars (http://salotti.pagesperso-orange.fr/docdescentandlanding.htm je viens de mettre à jour ...).
Donc, oui, bien entendu, plus la surface qui s'oppose à l'avancement est importante, plus le freinage atmopshérique est fort, mais dans le cas de fusées qui pèsent des centaines de tonnes, cette force est très faible relativement aux forces mises en jeu, je pense qu'on doit pouvoir la négliger en première approximation et ce n'est donc pas si pénalisant que cela. En tout cas, cela ne me parait pas évident, je ne prendrai position que lorsque j'aurai vu des calculs ...

A+,
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@Giwa a écrit:Tout finit par se savoir dans ce monde du Big Brother !
;)

Si peu... :roll:

Et au fait, le diamètre de la fusée .... Img0548smileespion
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Je pense aussi que pour le même volume, un réservoir de petit diamètre est moin lourd qu'un réservoir de diamètre plus grand.
car petit diamètre -> les fonds (dômes) des réservoirs et les inter-réservoirs sont plus petit, donc plus léger.

Apres le diamètre d'un lanceur est dicté aussi par la taille du/des moteurs.

enfin c'est que monavis perso 👅
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@Pline a écrit:C'est également le cas pour les propulseurs d'appoint de la navette (gabarit routier ?).
D'après une célèbre blague qui circule sur internet depuis les années 2000, ce serait plutôt un gabarit de tunnel de chemin de fer.
Pour une analyse détaillée (mais en anglais) de la vraissemblance de cette théorie qui lie le booster de la navette à la largeur d'un cul de cheval: voir ici
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Laurent J

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@Argyre a écrit:
La force de résistance de l'air est proportionnelle à la surface de pénétration (k.S.V2), mais la force gravitationnelle qu'il faut vaincre est proportionnelle à la masse (m.g) de la fusée. Or, la surface d'une sphère varie avec le carré du rayon alors que sa masse varie avec le cube du rayon. Autrement dit, plus un objet est grand, plus la résistance de l'air devient négligeable devant la force gravitationnelle et donc la poussée qui doit s'y opposer. Les amateurs de vélo savent qu'en decente, au point mort, une voiture prend plus de vitesse qu'un vélo, même si le cycliste se met en position aérodynamique.

AMHA ... on veut comparer deux design différents pour une (sensiblement) même masse de lanceur .... non ?

Donc pour X tonnes à faire décoller .... vaut-il mieux le profil du "petit joufflu" ... ou du "long pointu" ?

La correction à appliquer sur un large diamètre pour rattraper un écart angulaire ne devra-t-il pas être plus important que sur un petit ?
Et la résistance de l'air n'aidera pas pour la qualité du guidage du lanceur dans les premiers moment du vol.

Le fait est qu'aucun développeur de fusée n'a jamais sorti une "grosse dondon" .... et si on regarde la N1 (qui certes n'a jamais fait de vol réussi) Korolev avait choisi pour son lanceur lourd un profil très effilé ...... il doit bien y avoir une justification :???:

Et au fait, le diamètre de la fusée .... N1-180107


Pour ce qui concerne l'Energia ... elle était d'un même diamètre partout. Ce sont les boosters qui lui donnaient une allure trapue.

Et au fait, le diamètre de la fusée .... Energi11

Les dimensions du corps central :
Energia utilise une configuration en faisceau. Le corps central constitue le second étage, 58,765 m de long pour 7,7 m de diamètre.
source http://www.capcomespace.net/dossiers/espace_sovietique/buran_energia/energia_caracteristiques.htm


Dernière édition par montmein69 le Mar 29 Mar 2011 - 20:13, édité 2 fois
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@Laurent J a écrit:
@Pline a écrit:C'est également le cas pour les propulseurs d'appoint de la navette (gabarit routier ?).
D'après une célèbre blague qui circule sur internet depuis les années 2000, ce serait plutôt un gabarit de tunnel de chemin de fer.
Pour une analyse détaillée (mais en anglais) de la vraissemblance de cette théorie qui lie le booster de la navette à la largeur d'un cul de cheval: voir ici
Effectivement il ne faudrait pas oublier les considérations très terre à terre des contraintes de gabarit des transports terrestres et à l’Est comme à l’Ouest …un peu d’Histoire explique certaines choses ...même si il n’est pas nécessaire de remonter jusqu’aux voies romaines !
http://fr.wikipedia.org/wiki/Proton_(fus%C3%A9e)
Le diamètre du corps central est de bout en bout de 4,15 mètres : cette dimension correspond à l'encombrement maximum accepté par les chemins de fer soviétiques. Toutefois, pour pouvoir respecter cette contrainte de gabarit, les moteurs et les réservoirs de carburant du premier étage sont rejetés dans 6 modules cylindriques qui viennent flanquer le réservoir central contenant le comburant.

;)
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Pour Energia .... voir mon post ci-dessus ... l'histoire du diamètre des tunnels .... cela ne marche pas Non
Je n'ai pas retrouvé pour la N1 le diamètre maxi .... mais ce doit être pareillement supérieur au diamètre standard des tunnels.
Ils devaient donc utiliser le bateau ou la route ?


Dernière édition par montmein69 le Mar 29 Mar 2011 - 20:16, édité 2 fois
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@Argyre a écrit:En tout cas, cela ne me parait pas évident, je ne prendrai position que lorsque j'aurai vu des calculs ...
A la rigueur ta position n'est pas très importante (pas plus que la mienne d'ailleurs), pour avoir vu les équations dont tu parles, je peux simplement te dire qu'elles sont très nombreuses et complexes et n'ont évidemment pas de solution analytique.
Si tu veux t'amuser à faire des éléments finis sur l'aérodynamique, du pogo et de la résistance des matériaux, libre à toi :) Si tu veux une solution qui minimise sous contrainte les tas de problèmes auxquels doit se confronter un lanceur (dont on t'a déjà listé un bon nombre), il te suffit de regarder une photo d'Ariane pour avoir une réponse.
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@Space Opera a écrit:
@Argyre a écrit:En tout cas, cela ne me parait pas évident, je ne prendrai position que lorsque j'aurai vu des calculs ...
A la rigueur ta position n'est pas très importante (pas plus que la mienne d'ailleurs), pour avoir vu les équations dont tu parles, je peux simplement te dire qu'elles sont très nombreuses et complexes et n'ont évidemment pas de solution analytique.
Si tu veux t'amuser à faire des éléments finis sur l'aérodynamique, du pogo et de la résistance des matériaux, libre à toi :) Si tu veux une solution qui minimise sous contrainte les tas de problèmes auxquels doit se confronter un lanceur (dont on t'a déjà listé un bon nombre), il te suffit de regarder une photo d'Ariane pour avoir une réponse.
+1 sur le "pas de solution analytique à ce problème"
Il n'y a pas vraiment d'équation magique d'où sortirait le paramètre recherché en fonction des variables d'entrée genre f(x) = y. Tout ça se calcule grâce à des simulations numériques qui ne sont pas lisibles d'un simple coup d'oeil, sur un nombre d'itération à définir, sur un nombre de degré de liberté à définir, sur un pas d'intégration à définir. Par exemple l'ultra-classique Runge-Kutta : http://en.wikipedia.org/wiki/Runge%E2%80%93Kutta_methods
C'est là que les softeux prennent leur revanche :)
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