Re: Titan Explorer

**Giwa** Donateur Messages : 12675 Inscrit le : 15/04/2006

C'et ce que l'on appelle de l'autocritique ;) ...mais light-pour de détendre un peu et et surtout bien faire passer le message - rien à voir avec celles du temps des gardes rouges de la révolution maoïste - beaucoup plus hard - et pas drôle du tout ! Mais on dérive en HS et il faut revenir sur le satellite Titan.

Quelque soit le type d'engin - dirigeable, hélicoptère ou avion - il devra se diriger seul juste avec quelques grandes lignes d'instruction de la Terre vu la durée des communications, donc il faudra faire appel à leur intelligence artificielle. C'est là que réside peut-être le plus grand challenge.

Les survols par Cassini ont-ils permis d'avoir une idée de la profondeur de la mer d'hydrocarbures ?

La liaison entre un éventuel module qui plongerait et la surface (pour relayer les données) parait assez complexe. Une liaison filaire parait indispensable ... mais si c'est profond de plusieurs km, ce sera galère d'avoir une telle masse sur le radeau et un treuil pour dévider le fil de liaison. Le radeau devrait aussi avoir une antenne pour émettre vers le dirigeable ou vers les satellites. Bref il y a du boulot !

Giwa a écrit:...Stocker du dihydrogène liquide est plus facile que pour l’hélium, non seulement parce qu’il n’est pas nécessaire de descendre aussi bas en température, mais aussi parce que sa chaleur de vaporisation est plus de 5 fois plus grande : 0,449 36 kJ/mol au lieu de 0,0845kJ/ mol, -donc pour la même fuite thermique on en perd plus de 5 fois moins.

Grrr... Tu me coiffes encore sur le poteau, je n'avais pas pensé à chercher du coté de l'enthalpie de vaporisation... :wall:

**Gilgamesh** Messages : 196 Inscrit le : 30/01/2006

montmein69 a écrit:Les survols par Cassini ont-ils permis d'avoir une idée de la profondeur de la mer d'hydrocarbures ?

Voui. ;)

http://www2.cnrs.fr/presse/journal/3914.htm

Pour autant, le méthane liquide ne serait pas absent de la surface de la lune gelée. En juillet 2006, les planétologues ont en effet repéré sur les images du radar de Cassini des dizaines de « surfaces lisses » au-delà des 70° de latitude nord4. Pour les experts, ces taches sont des lacs de méthane. Toutes réunies, ces étendues liquides, parfois longues de centaines de kilomètres, représenteraient une superficie supérieure à celle de la mer Noire5. Quid de leur profondeur ? C’est justement l’objet de la seconde étude impliquant le CNRS. Philippe Paillou, chercheur au Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux (LAB)6, Gilles Ruffié, ingénieur au Laboratoire de l’intégration, du matériau au système (IMS)7, et leurs collègues américains ont réexaminé les images du radar de Cassini afin de voir s’il n’était pas finalement possible de chiffrer cette valeur. Le fond des lacs étant par endroits visible sur ces clichés, ils en ont déduit que le signal de l’orbiteur pouvait traverser le liquide. Pour déterminer jusqu’à quelle profondeur, ils ont mesuré, dans le cadre d’une collaboration avec Gaz de France, la « constante diélectrique » du gaz naturel liquide, lequel est essentiellement composé de méthane. Comme cette grandeur caractérise l’atténuation du signal de Cassini dans ce composé, l’équipe a pu calculer que les lacs de Titan ont une dizaine de mètres de profondeur, au moins. Et même, grâce à des données topographiques, estimer leur volume total. Celui-ci s’avère gigantesque. Les réserves de méthane de Titan seraient, en effet, 400 fois supérieures à celles de tous les hydrocarbures terrestres…

a+

Gilgamesh a écrit: Le fond des lacs étant par endroits visible sur ces clichés, ils en ont déduit que le signal de l’orbiteur pouvait traverser le liquide. Pour déterminer jusqu’à quelle profondeur, ils ont mesuré, dans le cadre d’une collaboration avec Gaz de France, la « constante diélectrique » du gaz naturel liquide, lequel est essentiellement composé de méthane. Comme cette grandeur caractérise l’atténuation du signal de Cassini dans ce composé, l’équipe a pu calculer que les lacs de Titan ont une dizaine de mètres de profondeur, au moins . Et même, grâce à des données topographiques, estimer leur volume total. Celui-ci s’avère gigantesque. Les réserves de méthane de Titan seraient, en effet, 400 fois supérieures à celles de tous les hydrocarbures terrestres…a+

Donc la possibilité d'explorer les fonds des lacs par un engin submersible serait grandement facilitée si les signaux peuvent traverser le méthane liquide sans être obligé de passer par des relais en surface. Mais, même si ce n'était pas possible, on peut envisager que cet engin remonte en surface de manière programmée pour transmettre ses informations. De toute manière- vu la durée des communications qui, pour un aller-retour, avoisine les quatre heures - un tel engin devrait être dotée d’une intelligence artificielle suffisante pour s’autoguider – les instructions qu’il recevrait n’étant que des ordres globaux d’accomplir telle ou telle tâche.
En tout cas, en plus de l’intérêt scientifique de continuer l’exploration de Titan, cela permettrait le développement de la robotique et de l’intelligence artificielle.

Bien que les données physiques (qui ne sont pas pour autant les seules à prendre en compte pour une solution technologique au problème) donnent l'avantage au H2 ... dans le pdf sur la mission, la NASA privilégie l'hélium.

Titan Explorer - Page 2 Ballon10

Les ingénieurs qui ont cogité là-dessus n'étant pas équipés de demi-cervelles :shock: .... ils doivent avoir leur raison (peut-être l'extrême facilité de diffusion des molécules de H2 et donc une difficulté de confinement incompatible avec un voyage d'approche si long ?)

Je suggère aussi que l'inertie chimique est un facteur déterminant (joints, soupapes sont très fragiles en environnement cryotechnique)

C’est exact que la diffusion du dihydrogène est un peu plus rapide que celle de l’hélium – mais sous forme gazeuse. Or pendant les voyages on peut le stocker soit sous forme liquide ou dans des hydrures - donc le problème n’existera que sur place lorsque le ballon sera rempli de gaz – mais vu la température très basse de Titan, la diffusion sera considérablement ralenti – et rien n’empêche de compenser en permanence les pertes par un apport à partir d’un réservoir à hydrogène liquide ou à hydrures.
http://fr.wikipedia.org/wiki/H%C3%A9lium
En raison de la petite taille de ses atomes (on parle de l’hélium), sa vitesse de diffusion à travers les solides est égale à trois fois celle de l'air et environ 65 % celle de l'hydrogène.

Le dihydrogène gazeux a tout de même était utilisé dans les airs pendant plus de deux siècles - et si son usage a été interdit, c’est avant tout pour des raisons de sécurité après les nombreux accidents - qui n’auraient pu se produire dans l’atmosphère réductrice de Titan où le dihydrogène ne peut rentrer en combustion. Quant à l’hydrogène liquide, on l’utilise bien pour Ariane V par exemple et cet hydrogène passe obligatoirement dans des tuyauteries à très basse température. Bon l’équipe d’ingénieurs de la NASA en charge de cette partie du programme ne voulait peut-être tout simplement ne prendre de risque en innovant et rester en terrain connu –surtout qu’ils ont sans doute plein d’autres problèmes à résoudre.
De toute manière, l’option hélium sera viable – et la NASA peut quant-même se payer de l’hélium – malgré la crise.

Giwa a écrit:Quant à l’hydrogène liquide, on l’utilise bien pour Ariane V par exemple et cet hydrogène passe obligatoirement dans des tuyauteries à très basse température. Bon l’équipe d’ingénieurs de la NASA en charge de cette partie du programme ne voulait peut-être tout simplement ne prendre de risque en innovant et rester en terrain connu –surtout qu’ils ont sans doute plein d’autres problèmes à résoudre..

Je vois une différence notable en ce qui concerne la durée pendant laquelle on travaille avec ce fluide cryogénique.
- un lancement c'est un segment sol qui complète en permanence le niveau jusqu'à quelques minutes du lift-off. C'est une utilisation pendant quelques minutes qui consomme tout le contenu des réservoirs. Un délai un peu plus long si on doit utiliser un second étage (ESCB ... s'il vole un jour) ou au maximum quelques jours / semaines (si par exemple on utilise un étage ré-allumable pour des corrections de trajectoire interplanétaire).
On sait que les américains ont envisagé des réservoirs d'H2 en réserve pour des voyages lunaires ou martiens, mais que le problème de conservation parait très délicat et pas encore vraiment solutionné.

- gonfler un ballon destiné à Titan, c'est devoir conserver le fluide pendant plusieurs années de voyage ... et avoir 99,99 % de chance que le ballon soit opérationnel en arrivant à destination. Je comprends qu'on privilégie la sécurité et les méthodes éprouvées (on utilise je crois de l'hélium pour la pressurisation de réservoirs d'ergols chimiques stockables pour des missions longues, donc on doit bien maitriser la technique avec ce gaz). Bref ... si on ne trouve pas de raison très évidente pour éliminer l'H2 ... elles sont peut-être à chercher de ce côté ?

Il ne s’agirait pas de gonfler le ballon avant l’arrivée sur Titan - et le gonflage de celui-ci serait de l’ordre des minutes - à la rigueur des heures

Quant à l’hélium, il pose aussi pas mal de problèmes pour un long voyage car si on le conserve sous forme gazeuse les parois devront être bien épaisses pour limiter la diffusion.
Et sous forme liquide, on rencontre tous les problèmes déjà évoquées d’évaporation - plus le problème de sa très faible viscosité qui favorise les fuites:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Superfluide
Ce liquide incolore a une viscosité très faible, et une densité 1/8, qui n'est qu'un quart de la valeur prévue par la physique classique.
(En dessous de 2 ,17 K, il devient d’ailleurs superfluide)

Quant au choix de la pressurisation des réservoirs d'ergols à l'hélium, c'est un problème de sécurité : on part de la Terre dans une atmosphère oxydante et on ne tient pas à transformer ceux-ci en bombes potentielles- et dans le cas d'un réservoir à oxygène liquide, il est évident que l'on ne va le pressuriser à l'hydrogène gazeux - sauf si on tient à faire un super feu d'artifice.
Dans l'autre cas particulier d'un réservoir à hydrogène liquide, il n'ya pas d'autre choix que l'hélium car tout autre gaz introduit au dessus se liquéfiera - hydrogène compris puisqu'il devra être introduit à une pression supérieure à celle de sa pression de vapeur saturante si on veut créer une pressurisation.

Mais bon le choix a été fait et on ne va revenir sans arrêt dessus.

Ne pas oublier le poids de l'habitude. Cela fait tellement longtemps que l'hydrogène est banni des aérostats sur la Terre, qu'aucun responsable de programme spatial n'a envi de se casser la tête à justifier son usage dans un aérostat face à un public (politiques compris) qui ne comprendra pas que dans ce cas de figure c'est le meilleur choix... (Un peu la même problématique idéologique que la propulsion nucléaire dans l'espace.)

Une remarque intéressante, un aérodyne (hélicoptère, avion) survolant Titan aurait du carburant à profusion dans l'atmosphère de Titan, mais devrait embarquer le comburant (oxygène par exemple)...

Henri a écrit:Une remarque intéressante, un aérodyne (hélicoptère, avion) survolant Titan aurait du carburant à profusion dans l'atmosphère de Titan, mais devrait embarquer le comburant (oxygène par exemple)...

Grrr... Tu me coiffes sur le poteau, à ton tour - :wall: je voulais aborder cela...mais bon j'étais occupé avec ce combat H₂ contre He ;)
Effectivement je voulais aussi soulever le problème de la source d'énergie - et en dehors du nucléaire, je voyais aussi cette possibilité d'utiliser la réaction d'oxydoréduction entre le méthane et le dioxygène.
Comme comburant le dioxygène en effet semble le plus approprié car le difluor pose de sacrés problèmes de stockage vu son agressivité chimique.

Henri a écrit:Ne pas oublier le poids de l'habitude. Cela fait tellement longtemps que l'hydrogène est banni des aérostats sur la Terre, qu'aucun responsable de programme spatial n'a envi de se casser la tête à justifier son usage dans un aérostat face à un public (politiques compris) qui ne comprendra pas que dans ce cas de figure c'est le meilleur choix... (Un peu la même problématique idéologique que la propulsion nucléaire dans l'espace.)

Effectivement c'est bien difficile d'expliquer pourquoi après l'abandon sur la Terre du gonflage au dihydrogène pour les ballons, on le préconise de nouveau ailleurs.
Et que l'on peut innover en reprenant des recettes du passé - mais dans un autre contexte ...et pourtant c'est bien le cas de la fusée - qui existait bien avant le moteur à piston :)

Henri a écrit:Une remarque intéressante, un aérodyne (hélicoptère, avion) survolant Titan aurait du carburant à profusion dans l'atmosphère de Titan, mais devrait embarquer le comburant (oxygène par exemple)...

La possibilité théorique existe ... mais AMHA pour des missions aussi complexes, longues et couteuses, on privilégiera l'autonomie complète. La sonde partira avec tout le nécessaire au fonctionnement à son bord et les solutions les plus fiables possibles car maitrisées de bout en bout. (apparemment RTG de 2ème génération et propulsion électrique)
Capter du méthane (le filtrer de ses poussières ? le purifier d'impuretés diverses et variées ?? et faire réagir cela dans un moteur ? réacteur ? dont on devrait maitriser les régimes au quart de poil, cela me parait hautement risqué.

Bien sûr on en sera quite à devoir le payer en terme de payload. Mais cela finalement se résout avec un lanceur plus puissant ... ce sont des techniques terrestres et plutôt bien maitrisées (avec une Ares 5 fut-elle lite .... on n'aura pas trop de limitation en terme de volume et de payload : orbiteur, ballon, sous-marin etc ... tout tient sans problème)

Le moteur Stirling très robuste peut accepter n’importe quel type de combustible –même impur- et donc l’atmosphère de Titan – dont la composition est quant-même connue dans ses grandes lignes – pourrait convenir. Cela permettrait d’augmenter grandement l’autonomie d’un engin propulsé en embarquant que le comburant . De plus le rendement serait excellent avec comme source froide l'atmosphère glaciale de Titan.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_Stirling

On lit dans l'article Wikipedia sur le Stirling :

La Nasa l'a étudié pour fournir de l'énergie aux satellites et sondes spatiales
car son rendement est meilleur que les panneaux solaires. Mais la
fiabilité des panneaux solaires (ne comportant pas de pièces mobiles,
leurs risques de pannes sont moindres que celles d'un moteur) les fait
souvent préférer.

Solution qui serait donc sans doute à tester ..... car il faut une fiabilité sans faille .... mais où ? Il faut reconstituer une atmosphère titanesque ? Je ne sais pas si les cycles de dilatation d'un piston dans une chambre de compression c'est top .... avec les conditions de température extérieure ???

Mais en l'état actuel de l'étude d'une telle mission, on privilégiera sans doute une solution électrique (le RTG est hyper-fiable et sur une longue durée) ?
Quel type de propulsion électrique ? c'est une bonne question ? (rotation d'hélices ? réaction avec un compresseur et éjection de gaz ? ou ???? )

Le problème des RTG, c’est que jusque maintenant ils ne produisent que de faibles puissances électriques et qu’ils sont lourds. Si on opte pour la solution du dirigeable, cela devrait pouvoir convenir à la limite – mais un avion et pire un hélicoptère : cela parait difficile.
http://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator

Une chose est vrai, beaucoup de technos ont nécessité de gros investissements en R&D avant d'être opérationnelles, et on hésite à faire ces investissements pour un seul et unique exemplaire (1 machine dans l'atmosphère ou dans les océans de Titan par exemple). Résultat on hésite à sortir des sentiers battus s'il n'y a pas une perspective de séries derrière... La propulsion ionique n'aurait jamais été développée pour n'assurer la propulsion que d'une seule et unique sonde, elle l'a été parce qu'elle était applicable à une multitude de missions. (y compris la mise à poste GEO de satcoms).
On peut aussi se dire que les atmosphères de la quasi-totalité des planètes géantes sont réductrices, et que développer un moteur stockant son comburant et extrayant son carburant de l'atmosphère environnante pourra être utilisé dans une multitude de missions dans les atmosphères des planètes géantes... Maintenant il y aurait à chaque fois des particularités du carburant atmosphérique, ici plutôt du méthane, là plutôt de l'hydrogène, et ailleurs plutôt de l'ammoniac...

Henri a écrit:Une chose est vrai, beaucoup de technos ont nécessité de gros investissements en R&D avant d'être opérationnelles, et on hésite à faire ces investissements pour un seul et unique exemplaire (1 machine dans l'atmosphère ou dans les océans de Titan par exemple). Résultat on hésite à sortir des sentiers battus s'il n'y a pas une perspective de séries derrière... La propulsion ionique n'aurait jamais été développée pour n'assurer la propulsion que d'une seule et unique sonde, elle l'a été parce qu'elle était applicable à une multitude de missions. (y compris la mise à poste GEO de satcoms).
On peut aussi se dire que les atmosphères de la quasi-totalité des planètes géantes sont réductrices, et que développer un moteur stockant son comburant et extrayant son carburant de l'atmosphère environnante pourra être utilisé dans une multitude de missions dans les atmosphères des planètes géantes... Maintenant il y aurait à chaque fois des particularités du carburant atmosphérique, ici plutôt du méthane, là plutôt de l'hydrogène, et ailleurs plutôt de l'ammoniac...

Effectivement. Si on veut envisager un jour l’exploration in situ des atmosphères des planètes géantes, l’emploi des ballons sera inutile puisque leur atmosphère a pratiquement la densité du gaz dihydrogène et qu’il n’existe aucun gaz de densité inférieure. En conséquence la poussée d’Archimède ne dépassera jamais le poids. Alors seule la solution de l’avion parait envisageable d’où la nécessité de développer un moteur fonctionnant en atmosphère réductrice.

En tout cas la solution de l’avion – ou de l’hélicoptère serait très envisageable vu la faible de gravité de Titan – 0,14g - et sa pression atmosphérique élevée égale à 1,5 fois celle de la Terre. Malgré cela la puissance massique d’un RTG serait quant-même trop faible; mais par contre un moteur thermique à combustion pourrait assurer la motorisation sans peine.

Giwa a écrit:
Effectivement. Si on veut envisager un jour l’exploration in situ des atmosphères des planètes géantes, l’emploi des ballons sera inutile puisque leur atmosphère a pratiquement la densité du gaz dihydrogène et qu’il n’existe aucun gaz de densité inférieure. En conséquence la poussée d’Archimède ne dépassera jamais le poids.
...

On arrive bien à voler dans l'atmosphère terrestre avec des ballons gonflés d'air chaud...

lambda0 a écrit:
Giwa a écrit:
Effectivement. Si on veut envisager un jour l’exploration in situ des atmosphères des planètes géantes, l’emploi des ballons sera inutile puisque leur atmosphère a pratiquement la densité du gaz dihydrogène et qu’il n’existe aucun gaz de densité inférieure. En conséquence la poussée d’Archimède ne dépassera jamais le poids.
...
On arrive bien à voler dans l'atmosphère terrestre avec des ballons gonflés d'air chaud...

Joseph-Michel & Jacques-Étienne ont dû se retourner dans leurs tombes... :face:

lambda0 a écrit:
Giwa a écrit:
Effectivement. Si on veut envisager un jour l’exploration in situ des atmosphères des planètes géantes, l’emploi des ballons sera inutile puisque leur atmosphère a pratiquement la densité du gaz dihydrogène et qu’il n’existe aucun gaz de densité inférieure. En conséquence la poussée d’Archimède ne dépassera jamais le poids.
...
On arrive bien à voler dans l'atmosphère terrestre avec des ballons gonflés d'air chaud...

Effectivement :oops: si on réchauffe le dihydrogène à l'intérieur du ballon sa masse volumique (mais non sa densité ;) ) sera inférieure au dihydrogène présent à l'extérieur et la poussée d'Archimède dépassera le poids du gaz à l'intérieur et de l'enveloppe .J'ai donc été excessif dans mes propos...toutefois ;) le gain devient de plus en plus faible avec des gaz de faible densité car la masse de l'enveloppe et du matériel embarqué compte de plus en plus par rapport à la masse du fluide déplacé.
La composante de la force ascensionnelle est égale à gV ( a_e -a_i) -gm où g est la constante de pesanteur, V- le volume déplacé,a _e et a _i), les masses volumiques des gaz à l'extérieur et à l'intérieur, et m, la masse du matériel.
Pour assurer une portance suffisante avec une montgolfière à hydrogène dans une atmosphère d'hydrogène, il faut alors un très grand volume car même en chauffant énormément la masse volumique du gaz chaud déjà faible ne peut tendre que vers celle du vide, c'est à dire 0 et a _e -a _i) tendra vers a _e. La portance peut redevenir suffisante qu'à condition de s'enfoncer dans les couches denses de l'atmosphère, mais avec une température très élevée du gaz interne...pas évident ! La solution de l'avion me parait alors plus économe en énergie.

Pour être plus rigoureux dans mes explications et pour les fans d'équations, voilà: :)

La masse volumique d’un gaz parfait est donnée par:a=R. (P/ T). M avec R , constante des gaz parfaits ; P, pression du gaz ; M, masse molaire

La composante ascensionnelle sera en supposant la pression interne proche de la pression externe P et les deux gaz de même masse molaire M:
R.g.V.P.M.(1/Te - 1/Ti ) - m.g avec Te, température absolue externe et Ti, température absolue interne, g,constante de pesanteur et m, masse de l'enveloppe et du matériel

On constate donc que dans les mêmes conditions, la poussée ascensionnelle est proportionnelle à la masse molaire M et a pour limite si on fait croître indéfiniment la température interne :

R.g.V.P. M /Te - m.g

On en conclue que c'est dans une atmosphère de dihydrogène qu'une montgolfière serait la moins efficace.
Si on prend pour masse molaire moyenne de l'air : 29 g/mol, une montgolfière dans une atmosphère de dihydrogène serait 29/2 soit plus de 14 fois moins efficace.

Et pire encore, si m.g est supérieur à R.g.V.P. M /Te...la montgolfière ne pourra que plonger...ce qui est fort possible à moins de trouver des matériaux ultralégers et résistants. :affraid:

lambda0 a écrit:
Giwa a écrit:
Effectivement. Si on veut envisager un jour l’exploration in situ des atmosphères des planètes géantes, l’emploi des ballons sera inutile puisque leur atmosphère a pratiquement la densité du gaz dihydrogène et qu’il n’existe aucun gaz de densité inférieure. En conséquence la poussée d’Archimède ne dépassera jamais le poids.
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On arrive bien à voler dans l'atmosphère terrestre avec des ballons gonflés d'air chaud...

Ah, bonne question :!:

Sam 19 Sep 2009 - 16:57

Sam 19 Sep 2009 - 17:13

Sam 19 Sep 2009 - 17:31

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Dim 20 Sep 2009 - 8:45

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Lun 21 Sep 2009 - 7:44

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