Risques de l'aérocapture

[Argyre]

Bonjour,

Je m'intéresse actuellement aux risques de l'aérocapture. Comme vous le savez, le principe de l'aérocapture est d'envoyer le vaisseau freiner dans l'atmosphère martienne, ce qui permet de le satelliser après une petite poussée supplémentaire à l'apoastre. Mais cette manoeuvre est très risquée du fait que le couloir d'entrée est réduit. Si on s'enfonce trop, le freinage conduit à une entrée directe et un atterrissage forcé, et si on ne freine pas assez, le vaisseau ressort trop vite et repart de Mars tout aussi rapidement qu'il y est arrivé.
Bref, la question est la suivante : à quel point vous semble-t-il important que le vaisseau habité ait les moyens de se poser sur Mars en catastrophe s'il s'enfonce trop ou qu'il procède à un freinage propulsif complémentaire s'il ne s'enfonce pas assez ? Evidemment, avoir plus d'ergols pose un autre problème fondamental, qui est celui de la masse du vaisseau au départ de la Terre. Tout est histoire de compromis.

Cordialement,
Argyre

[CosmoS]

AMHA, le problème ne se pose pas exactement en ces termes: il me semble qu'il y a une contradiction à vouloir prévoir à la fois l'aérocapture et une solution "de secours" - la rentrée directe - qui est en fait plus dimensionnante pour le véhicule (il faut résister à des efforts mécaniques et thermiques plus importants) et bien plus contraignante pour la mission (il faut se préoccuper un minimum du site d'atterrissage). Cela risque aussi de complexifier l'architecture du véhicule (que fait-on du bouclier dans les 2 cas ? est-ce qu'on se pose avec ?).
Bref, ce scénario risque fort de faire perdre tout l'intérêt initial de l'aérocapture !
Après, l'aérocapture martienne est-elle vraiment "risquée" ?
Si on se met en tête de l'utiliser pour une mission habitée sans avoir fait la moindre démo en vol avant, ça l'est sans doute un peu. :pale:
Mais tu ne ferais pas prendre de tels risques à des astronautes, n'est-ce pas ? ;)

[Argyre]

AMHA, le problème ne se pose pas exactement en ces termes: il me semble qu'il y a une contradiction à vouloir prévoir à la fois l'aérocapture et une solution "de secours" - la rentrée directe - qui est en fait plus dimensionnante pour le véhicule (il faut résister à des efforts mécaniques et thermiques plus importants) et bien plus contraignante pour la mission (il faut se préoccuper un minimum du site d'atterrissage). Cela risque aussi de complexifier l'architecture du véhicule (que fait-on du bouclier dans les 2 cas ? est-ce qu'on se pose avec ?).
Bref, ce scénario risque fort de faire perdre tout l'intérêt initial de l'aérocapture !
Après, l'aérocapture martienne est-elle vraiment "risquée" ?
Si on se met en tête de l'utiliser pour une mission habitée sans avoir fait la moindre démo en vol avant, ça l'est sans doute un peu. :pale:
Mais tu ne ferais pas prendre de tels risques à des astronautes, n'est-ce pas ? ;)

Effectivement, c'est aussi ce que je me disais. Toutefois, il me semble que s'il y a un tout petit écart ou si l'attitude du vaisseau est mauvaise ou tout simplement non contrôlée, il y a bien un risque de rentrée directe, mais relativement gérable. En fait, il y a 2 points qui me paraissent importants :

1) Contrairement à ce que tu dis, du moins si l'erreur est faible, je pense que les contraintes sont moins fortes que pour l'aérocapture. Les pics de chaleur et de décélération surviennent à mon sens lors des premières seconde d'aérocapture (à vérifier, mais le delta V est très fort). Si la vitesse est suffisamment réduite, alors le freinage se poursuit et la chaleur reste forte, mais les pics sont peut-être déjà passés.

2) Si le vaisseau devait de toute façon atterrir après la mise en orbite, il serait doté des mécanismes EDL de base. Dans ce cas, s'il devait être forcé à atterrir lors de la tentative d'aérocapture, cela pourrait se faire (et tu as raison de préciser qu'il faudrait envisager avant dans quelle zone cela se ferait, car on ne peut pas atterrir sur Tharsis par exemple). De plus, les ergols d'atterrissage pourraient également servir à une éventuelle correction pour la mise en orbite si l'aérocapture ne freine pas assez.

Le 2) a de fortes implications, car cela revient à privilégier une option dans laquelle le véhicule de transit habité joue également le rôle d'atterrisseur, ou éventuellement contient l'atterrisseur. C'est en fait ça que je cherche à savoir, car c'est possible mais cela contraint fortement l'arhitecture de mission, sans forcément la pénaliser du point de vue de l'IMLEO.

A+,

Argyre

[CosmoS]

1) Contrairement à ce que tu dis, du moins si l'erreur est faible, je pense que les contraintes sont moins fortes que pour l'aérocapture. Les pics de chaleur et de décélération surviennent à mon sens lors des premières seconde d'aérocapture (à vérifier, mais le delta V est très fort). Si la vitesse est suffisamment réduite, alors le freinage se poursuit et la chaleur reste forte, mais les pics sont peut-être déjà passés.

Les principaux "murs" du fameux couloir dans lequel il faut rester matérialisent le niveau de charges mécanique et thermique pour lequel le véhicule a été conçu. Faire une rentrée directe au lieu de l'aérocapture, cela signifie en principe sortir de ce couloir, donc dépasser ces charges.
Je ne dis pas qu'une situation telle que tu la décris est impossible, mais elle me semble peu probable (cas très particulier où le véhicule redeviendrait contrôlable pile-poil au bon moment et dans les conditions qui vont bien pour permettre une rentrée directe - éventuellement avec rebond - sans sortir du couloir).

2) Si le vaisseau devait de toute façon atterrir après la mise en orbite, il serait doté des mécanismes EDL de base. Dans ce cas, s'il devait être forcé à atterrir lors de la tentative d'aérocapture, cela pourrait se faire (et tu as raison de préciser qu'il faudrait envisager avant dans quelle zone cela se ferait, car on ne peut pas atterrir sur Tharsis par exemple). De plus, les ergols d'atterrissage pourraient également servir à une éventuelle correction pour la mise en orbite si l'aérocapture ne freine pas assez.

Sur le fond, je trouve intéressante l'idée de réfléchir sans a priori sur des scénarios "de sauvegarde" (à la manière de ceux qui étaient prévus pour la navette en ascension), mais pour ce qui est de l'aérocapture martienne, j'ai l'impression que la question peut être assez vite tranchée.
En fait, c'est le postulat selon lequel l'aérocapture est intrinsèquement risquée (au point de nécessiter des solutions de sauvegarde) qui me semble discutable.
La raison d'être principale des scénarios de sauvegarde de la navette est de se protéger contre les pannes d'un système de propulsion effroyablement complexe (le triplet de SSME). Pour l'aérocapture martienne, du moins avec les technologies classiques, il s'agit de systèmes bien moins complexes et de technologies assez bien rodées, car il s'agit techniquement de la même chose que la rentrée atmosphérique. Le "risque" actuel tient au fait que l'atmosphère martienne est moins connue que la terrestre et que cela n'a jamais été expérimenté in-situ: il suffirait "juste" de faire une démo pour se ramener à un risque acceptable et s'épargner tout ce casse-tête.
Sans compter que le remède peut-être pire que le mal: s'il y a un problème de contrôle suffisamment important pour conduire à une rentrée directe, cela risque d'être la loterie sur la portée et le point de retombée. :affraid:
Dans les plaines du Kazakhstan ou le Pacifique, cela n'est pas trop un problème, mais sur Mars ?

[Argyre]

1) Contrairement à ce que tu dis, du moins si l'erreur est faible, je pense que les contraintes sont moins fortes que pour l'aérocapture. Les pics de chaleur et de décélération surviennent à mon sens lors des premières seconde d'aérocapture (à vérifier, mais le delta V est très fort). Si la vitesse est suffisamment réduite, alors le freinage se poursuit et la chaleur reste forte, mais les pics sont peut-être déjà passés.

Les principaux "murs" du fameux couloir dans lequel il faut rester matérialisent le niveau de charges mécanique et thermique pour lequel le véhicule a été conçu. Faire une rentrée directe au lieu de l'aérocapture, cela signifie en principe sortir de ce couloir, donc dépasser ces charges.
Je ne dis pas qu'une situation telle que tu la décris est impossible, mais elle me semble peu probable (cas très particulier où le véhicule redeviendrait contrôlable pile-poil au bon moment et dans les conditions qui vont bien pour permettre une rentrée directe - éventuellement avec rebond - sans sortir du couloir).

2) Si le vaisseau devait de toute façon atterrir après la mise en orbite, il serait doté des mécanismes EDL de base. Dans ce cas, s'il devait être forcé à atterrir lors de la tentative d'aérocapture, cela pourrait se faire (et tu as raison de préciser qu'il faudrait envisager avant dans quelle zone cela se ferait, car on ne peut pas atterrir sur Tharsis par exemple). De plus, les ergols d'atterrissage pourraient également servir à une éventuelle correction pour la mise en orbite si l'aérocapture ne freine pas assez.

Sur le fond, je trouve intéressante l'idée de réfléchir sans a priori sur des scénarios "de sauvegarde" (à la manière de ceux qui étaient prévus pour la navette en ascension), mais pour ce qui est de l'aérocapture martienne, j'ai l'impression que la question peut être assez vite tranchée.
En fait, c'est le postulat selon lequel l'aérocapture est intrinsèquement risquée (au point de nécessiter des solutions de sauvegarde) qui me semble discutable.
La raison d'être principale des scénarios de sauvegarde de la navette est de se protéger contre les pannes d'un système de propulsion effroyablement complexe (le triplet de SSME). Pour l'aérocapture martienne, du moins avec les technologies classiques, il s'agit de systèmes bien moins complexes et de technologies assez bien rodées, car il s'agit techniquement de la même chose que la rentrée atmosphérique. Le "risque" actuel tient au fait que l'atmosphère martienne est moins connue que la terrestre et que cela n'a jamais été expérimenté in-situ: il suffirait "juste" de faire une démo pour se ramener à un risque acceptable et s'épargner tout ce casse-tête.
Sans compter que le remède peut-être pire que le mal: s'il y a un problème de contrôle suffisamment important pour conduire à une rentrée directe, cela risque d'être la loterie sur la portée et le point de retombée. :affraid:
Dans les plaines du Kazakhstan ou le Pacifique, cela n'est pas trop un problème, mais sur Mars ?

Ok, merci.

En fait, ce n'est pas que le couloir qui compte, c'est aussi l'attitude du vaisseau. S'il est mal orienté, la portance peut être nulle, voire négative et c'est la rentrée directe, éventuellement après rebond. Mais il est certain que si on en arrive là, c'est grave !



A+, Argyre

[Aramis]

Deux études sur l'aérocapture par l'atmosphère martienne ont été diligentées par l'ESA pour mettre en orbite un vaisseau spatial.

La réussite d'une aérocapture dépend de beaucoup de paramètres : la forme du vaisseau, sa vitesse, l'angle de rentrée et l'atmosphère elle-même.

Les moyens pour générer une trainée vont du bouclier rigide jusqu'au "parachute" en passant par un bouclier gonflable.

Une solution mixte avec un "parachute" largable puis un bouclier largable aussi est envisagée.

https://www.esa.int/Enabling_Support/Preparing_for_the_Future/Discovery_and_Preparation/ESA_explores_bold_new_approach_to_Mars_orbit

ESA explores bold new approach to Mars orbit

P.S. pour le modo : j'ai encore posté un nécropost

[Argyre]

Deux études sur l'aérocapture par l'atmosphère martienne ont été diligentées par l'ESA pour mettre en orbite un vaisseau spatial.

La réussite d'une aérocapture dépend de beaucoup de paramètres : la forme du vaisseau, sa vitesse, l'angle de rentrée et l'atmosphère elle-même.

Les moyens pour générer une trainée vont du bouclier rigide jusqu'au "parachute" en passant par un bouclier gonflable.

Une solution mixte avec un "parachute" largable puis un bouclier largable aussi est envisagée.

https://www.esa.int/Enabling_Support/Preparing_for_the_Future/Discovery_and_Preparation/ESA_explores_bold_new_approach_to_Mars_orbit

ESA explores bold new approach to Mars orbit

P.S. pour le modo : j'ai encore posté un nécropost

SUper, merci beaucoup !

[taolanglais]

Une question en lien avec le sujet :
L'atmosphère martienne étant pratiquement dépourvue de dioxygène, l'aérocapture devrait être beaucoup moins corrosive pour le vaisseau que l'atmosphère terrestre, non ? Est-ce un avantage ou un inconvénient pour la dissipation thermique, sur le bouclier ? Il me semble que les technologies ablatives ne fonctionneraient pas pareil en l'absence de combustion...