Mars ? ... SEP ! ...

[Socrates]

Les films solaires ultra légèrs tels le CP1/a-Si:H permettent d'atteindre
4,3 Kw/Kg. C'est énorme et c'est déjà "sur étagère"!
Ainsi, il est aujourd'hui possible de fournir 100 kw avec 814 m² et pour 24 kg seulement.
A cette masse, bien sûr, nous devons ajouter le système de déploiement etc...
Il y a quelques mois, un passionné de ces questions me disait:
""they have already made and tested a 20-meter thin film deployment boom for
space sails using CP1 with a reflective coating. The same booms could
deploy two 20-meter CP1/a-Si:H solar arrays as two wings and give the
required m2 to generate 100 kW of solar power.
Pictures of the boom tests are here:
http://www.inspacepropulsion.com/news_sail.html """

Je signale que l'ESA s'intéresse aussi de près à ces technologies mais ne communique guère...
Voir: "Thin film Module Pilot Line and Pre-qualification" Page 60 and 61/215/246/247/313
ici: http://emits.esa.int/emits-doc/emits...C2005-11-9.pdf

Qu'est-ce que cela cache ?
Que va-t-il se passer ?
Pour ma part j'imagine ce scénario:

En 2010, l'ESA décide de réaliser une sonde destinée à tester de nouvelles technologies
pour la propulsion solaire électrique en vue d'un vol habité vers Mars (survol + mise en
orbite + descente de robots télécommandés) avec nos amis russes et avant 2020 (voir projet
russe: http://www.planetary.org/programs/projects/aim_for_mars/russian_aimformars_study.pdf )
Il s'agit de tester: un gros moteur de type DS4G, le CP1/a-Si:H ou équivalent (plus de
10 kw/kg sont sur le point d'être démontrés!), moteur orientable sur plus de 45° etc...

Le système de déploiement du film utilise une structure gonflable
(hélium très basse pression) multi-réseau (redondance en cas de fuite). La section de ces
tubes sous pression est petite de sorte que la masse du dispositif reste modeste et ils ne
sont pas utilisés pour rigidifier le film mais plutôt destinés à exercer une poussée dans
le plan du déploiement. La rigidité perpendiculairement au plan de déploiement (pour
résiter à la pression du vent solaire et surtout aux accélérations) est donnée par des
morceaux de film de forme triangulaire, 6 sur chacune des deux faces du film,
perpendiculaires au plan de déploiement.
Le tout ressemble un peu à une fleur avec six pétales et atteint tout compris 5 kw/kg.
En 2020, les évolutions du moteur DS4G permettent d'atteindre un rendement proche de 70%.
Le DS4G orientable et ses réservoirs constituent le coeur de la "fleur", un coeur proéminent
et pointu autour duquel sont fixés 6 des 12 "triangles" de toile.
Le tout pèse 50 tonnes et nécessite deux lancements de l'Ariane5 ou de l'Angara5 (dans
l'esprit de l'ACTS) et produit 100 Mw (!) pour un rayon de 500m.

La mission vers Mars utilise au moins deux véhicules qui partent en même temps et restent
à quelques dizaines de km de distance l'un de l'autre. L'un est pour l'équipage de 4 et
l'autre est utilisé pour transporter du matériel à débarquer sur la planète Mars.
La construction modulaire dans l'esprit de l'ACTS permettrait à l'équipage de larguer son
module de propulsion solaire en cas de problème et d'utiliser celui du cargo, à l'aller
comme au retour.

L'assemblage des deux véhicules se ferait en orbite géostationnaire au-dessus de l'Europe.
Ce serait génial! Nous pourrions alors voir deux "étoiles" plus de 100 fois plus lumineuses
que toute autre étoile du ciel !!! Facile à repérer (!) et excellent pour entretenir
l'intérêt du public... et aussi penser au symbole pour l'union européenne (avec les russes).
Mais les raisons d'un départ à partir de GEO plutôt que de LEO seraient aussi de racourcir
la durée du voyage et de limiter la masse au départ tout en permettant d'éviter les débris
spatiaux en orbite terrestre...

Les modules de propulsion auraient au moins 15 ans de durée de vie ce qui autoriserait quelques
aller-retours en direction de Mars. Ainsi, nos deux "étoiles" géantes reviendraient se placer
en GEO au-dessus de l'Europe... Super attraction à chaque fois ! Pas besoin d'écouter la radio
ou la télé pour apprendre de quoi il s'agit! Presque impossible de ne pas en être informé.
Au départ, chaque vaisseau aurait une masse de 125 ou 150 tonnes, suffisament basse pour
autoriser un aller ou un retour en moins de 3 mois lorsque Mars est à portée...

L'autre face du film aurait été rendue réfléchissante. Les réseaux de tubes sous pression
seraient conçus de sorte qu'en faisant varier localement les pressions on modifierait
légèrement la forme du film solaire, ces dispositions autorisant, à partir de l'orbite
marsienne, de renvoyer de l'énergie solaire vers une base à la surface de Mars, utile pour
y augmenter l'efficacité des photopiles solaires et aussi pour les plantes dans les serres
ou encore pour augmenter la température de la base et économiser l'énergie pendant la nuit.
Ne serait-il pas ainsi préférable d'éviter le nucléaire?
Dès que ACTS sera parfaitement opérationnel alors on sera très proche d'une telle mission.
Quelques idées pour amélioirer ou compléter ce scénario?
C'était le père Noël... en direct du ciel et de l'espace.

[lambda0]

Bonjour

Il y a déjà eu des discussions sur ces panneaux solaires.
http://astronautique.actifforum.com/ftopic1181.Cellules-solaires-fines-en-Silicium-amorphe.htm

Et on s'est rendu compte qu'ils permettraient même d'alimenter une propulsion plasmique suffisamment puissante pour pousser un vaisseau habité vers Mars.
Voir calculs ici :
http://astronautique.actifforum.com/ftopic1197-15.Sur-le-moteur-magnetoplasmodynamique-MPD.htm

A+

[Socrates]

Merci pour le lien.
Je ne sais pas ce que vous en pensez mais moi j'estime que la propulsion hélio-électrique c'est l'avenir. Pour des raisons techniques, économiques et politiques, le nucléaire ne peut supporter la comparaison (sauf peut-être dans 50 ans avec la fusion si jamais...)
Quoi qu'il en soit, lorsqu'on a conscience de l'importance décisionnelle du Politique, alors il est clair que mon idée d'étoile artificielle au-dessus de l'Europe c'est du tonnerre !!!...
Socrates

[Socrates]

J'ajoute que smart 1 se propulsait avec 5w/kg... et qu'il est possible de faire 200 fois mieux... Moi être très optimiste pour l'avenir!
Socrates

[lambda0]

Merci pour le lien.
Je ne sais pas ce que vous en pensez mais moi j'estime que la propulsion hélio-électrique c'est l'avenir. Pour des raisons techniques, économiques et politiques, le nucléaire ne peut supporter la comparaison (sauf peut-être dans 50 ans avec la fusion si jamais...)
Quoi qu'il en soit, lorsqu'on a conscience de l'importance décisionnelle du Politique, alors il est clair que mon idée d'étoile artificielle au-dessus de l'Europe c'est du tonnerre !!!...
Socrates

Bonjour

Je suis assez optimiste sur l'avenir de la combinaison solaire+électrique, mais on aura quand même besoin du nucléaire pour aller vers Jupiter et au delà...
Pour ce qui est de vols habités vers Mars, cette combinaison solaire+électrique devient viable parce que la masse de ces panneaux est devenue suffisamment faible pour permettre de faire le voyage en 100 jours ou moins, ce qui a pour conséquence de diviser la durée totale de la mission par 3 et résoud automatiquement pas mal de problèmes liés à la durée de la mission de référence standard (qui est de presque 3 ans normalement, en propulsion chimique).

L'autre option, décrite plusieurs fois par Henri, est un moteur nucléo-thermique à coeur gazeux (le GCNR), qui a d'excellentes performances (théoriques!) en terme de poussée et d'impulsion spécifique. Mais pour l'instant, les développements ne semblent pas s'orienter dans cette direction, et le développement du nucléaire est toujours plombé par des considérations politiques.

Mais même pour le plasmique, il reste quand même à développer les moteurs : il n'y a pas beaucoup de moteurs plasmiques qui peuvent fonctionner à des puissances élevées, de plusieurs MW. Le plus avancé est le MPDT, et il y aurait aussi le VASIMR, à un état de développement plus embryonnaire. (il y eu plusieurs discussions sur le sujet).
Utiliser des moteurs de type Hall (Smart-1), ionique (Deep Space 1), même poussés à leurs limites, est une solution un peu douteuse (bien qu'il y ait eu une proposition russe dans ce sens, voir la discussion sur le moteur Hall).
Quant au DS4-G, c'est pour l'instant une expérience de laboratoire, et je ne sais pas du tout dans quelle mesure il peut transformer des puissances élevées. Pour faire le voyage en 3 mois, on a besoin d'au moins 100 MW de puissance électrique, et il y a une différence entre un petit moteur de quelques kW bien adapté aux sondes, et les moteurs de plusieurs MW nécessaires à un vol habité...

Mais j'aime bien l'image du grand vaisseau hélioélectrique qui revient doucement se parquer en orbite

A+

[Socrates]

Justement, le DS4G est incomparable!
"""Operating at a 30 kV beam potential, this concept would increase the specific impulse by a factor of 2, thrust density by factor 20, and power density by factor 40 over the maximum achievable performance of the current state-of-the-art gridded ion thrusters.""" !!!!!!!......

Voilà l'explication:
"""The CTR dual-stage ion sources were only 10-40cm in beam diameter, but managed to process input powers from 250kW to 4.8MW and accelerated ionised hydrogen to exhaust velocities of up to 4,000 km/s. One of the maximum cases recorded experimentally was at the Culham Laboratory, Oxford, UK with neutral atomic beam injectors developed for the JET tokamak [7]. Extremely high power densities of 6670 W/cm2 were achieved. A further benefit of the dual-stage system is a very low beam divergence of about 0.4-2 deg only due to the strong acceleration of the second stage, thus reducing further any possibility of adverse thruster-spacecraft interactions, and also reducing attitude control demands when compared to other thrusters. Present gridded ion thrusters have typical divergence of 12-15 deg, and Hall effect thrusters about 40 deg.

In recent papers published by Fearn [1,2], the theoretical application of a dual-stage 4-grid electrostatic system to gridded ion thrusters was investigated. Taking into account safety margins such as a low perveance factor to ensure a low probability of direct ion impingement and long grid life, it was calculated that a single 20 cm diameter gridded ion thruster could operate at 250 kW power to produce a 2.5 N thrust and a specific impulse of 19,300 s from Xenon propellant using a 4-grid system with 30 kV beam potential and 1 mm ion extraction grid separation. If proven experimentally, this would represent a significant step forward in propulsive performance over the state-of-the-art, extending maximum power to the 100-500 kW range and making gridded ion thrusters very competitive with other high power thrusters such as MPD thrusters and helicon plasma thrusters such as VASIMR, which still require considerable R&D to understand the underlying physics and considerably improve their presently low thrust efficiency. Gridded ion thrusters have a long heritage and are inherently simple, well understood devices, hence minimising development effort needed to prepare for effective flight operations in space. Operating at a 30 kV beam potential, this concept would increase the specific impulse by a factor of 2, thrust density by factor 20, and power density by factor 40 over the maximum achievable performance of the current state-of-the-art gridded ion thrusters. """
From: http://www.esa.int/gsp/ACT/propulsion/ultra_ion.htm

Très très très optimiste moi je suis. 8)
@+

[lambda0]

Justement, le DS4G est incomparable!
"""Operating at a 30 kV beam potential, this concept would increase the specific impulse by a factor of 2, thrust density by factor 20, and power density by factor 40 over the maximum achievable performance of the current state-of-the-art gridded ion thrusters.""" !!!!!!!......
...
From: http://www.esa.int/gsp/ACT/propulsion/ultra_ion.htm

Très très très optimiste moi je suis. 8)
@+

Ouai super ;)
"this concept would increase"... "if proven experimentally"...

Un problème traditionnel des moteurs à grille est l'usure des grilles sous le bombardement ionique, et ça ne risque pas de s'arranger en augmentant la densité du faisceau d'un facteur 20...
Après la théorie, on attend avec impatience les expérimentations sur un moteur de 500 kW :twisted:

Bon, on va pas faire la fine bouche, pour une fois qu'on prend l'initiative en Europe : c'est vraiment intéressant ;)
D'ailleurs, il y a déjà eu quelques discussions sur ce moteur.
http://astronautique.actifforum.com/viewtopic.forum?t=1174

A+

[socrate]

Bonjour Socrates. Nos pseudos se ressemblent suffisamment pour que j'intervienne dans la discussin afin d'éviter une confusion. Mais vous voyez facilement la différence, car chacun sait que je serais bien incapable de tenir une conversation de ce niveau de qualité dans le domaine de la propulsion, qui m'est fort étranger.

[Socrates]

Bonjour socrate, c'est moi, socrates !
Au premier coup d'oeil nos avatars apparaissent bien différents.
Au plaisir,
@+socrates

[Socrates]

Sur un autre forum je viens de prendre connaissance d'une idée qui me semble très intéressante et même prometteuse.
Il s'agirait d'un propulseur bi-étage à énergie solaire:
1: un premier étage solaire-thermique (qui permet déjà d'atteindre un isp comparable au nucléaire-thermique et aussi de fortes poussées)
2: un second étage pour augmenter l'isp avec ajout d'un vasimir alimenté par photovoltaïque
Donc: tout solaire, isp variable, très haut rapport kw/kg (le solaire thermique, concentrateur + moteur, permettrait d'approcher 100KW/kg à 1 A.U, ce qui fait monter la valeur du résultat final global)

Question: mais qu'attend-on pour lancer un petit démonstrateur de propulsion solaire-thermique ... en direction de Mars ?

[Socrates]

oups... désolé... petite erreur:
"""Practical concentrators can be constructed that have specific power between 10 and 100KW/kg at 1 A.U.""" sans le moteur...

[lambda0]

Sur un autre forum je viens de prendre connaissance d'une idée qui me semble très intéressante et même prometteuse.
Il s'agirait d'un propulseur bi-étage à énergie solaire:
1: un premier étage solaire-thermique (qui permet déjà d'atteindre un isp comparable au nucléaire-thermique et aussi de fortes poussées)
2: un second étage pour augmenter l'isp avec ajout d'un vasimir alimenté par photovoltaïque
Donc: tout solaire, isp variable, très haut rapport kw/kg (le solaire thermique, concentrateur + moteur, permettrait d'approcher 100KW/kg à 1 A.U, ce qui fait monter la valeur du résultat final global)

Question: mais qu'attend-on pour lancer un petit démonstrateur de propulsion solaire-thermique ... en direction de Mars ?

Bah, si on résume :
- les gars de Naza sont tout occupés à scanner les plans jaunis de la capsule Apollo, avant de les passer à la photocopieuse en testant divers rapports d'agrandissement. Le budget de fonctionnement de la photocopieuse est en discussion au congrès.
- à l'ESA, on discute de l'éventualité de la possibilité de financer une étude de préfaisabilité, pour un montant de 10000 Euros, mais il faudrait que tous les partenaires soient d'accord (les français sont enthousiastes, les anglais trainent la patte, les allemands trouvent que c'est trop cher), moyennant quoi l'étude de préfaisabilité pourrait débuter en 2020. Une réunion ministérielle se tiendra en 2009 pour planifier la date de la réunion de décision.
- les russes veulent bien faire le boulot, mais il faudrait que les européens mettent la main à la poche
- les chinois sont intéressés mais les russes n'ont pas encore de plans à vendre
- les japonais font leurs trucs dans leur coin en surveillant les chinois
Fin de séquence vacharde

Bon, techniquement :
- Ca m'étonnerait bien qu'on ait des performances comparables au nucléothermique en terme de rapport poussée/poids. Un tel système ne décollerait jamais d'une surface planétaire par exemple.
- Ca peut quand même être intéressant une fois dans l'espace
- Je crois qu'il y a eu quelques études NASA sur le sujet, je vais chercher dans mes archives

A+

[lambda0]

Pour en revenir aux panneaux solaires en films minces :
http://www.nanosolar.com/about.htm
http://www.nanosolar.com/technology.htm

Pour passer commande, aller dans "How to buy" !

[Socrates]

Possible de commander à partir de 2007.
J'espère que l'on a (ou aura) un produit équivalent en Europe.

Pour ce qui est de la photocopieuse à la "Naza" , MDR

[lambda0]

Possible de commander à partir de 2007.
J'espère que l'on a (ou aura) un produit équivalent en Europe.

Ca me fait penser qu'on trouve maintenant dans le commerce tous les composants industriels de base qui permettent de réaliser un petit satellite, même à courte durée de vie. Le point bloquant est le lancement, encore que je ne sais pas combien prennent les russes par kg de CU lancé par un missile, mais c'est sûrement beaucoup moins qu'une petite place sur Ariane. L'idée est de profiter d'un lancement de satellite "officiel" et d'utiliser un reste de quelques kg de charge utile disponible.

Ce serait intéressant de faire un budget, mettons pour un petit satellite de quelques kg, alimenté par des panneaux solaires légers. Et on doit pouvoir faire mieux qu'un Spoutnik : même prendre quelques photos et bricoler une parabole TV pour les récupérer au bon moment (travailler sur une bande de radio-amateur!).

A vos planche à dessin !

A+

[mic8]

Bah, si on résume :
[...]

EXCELLLENT