Mass driver la voie vers un Sapcebus?

[fox49]

Bonjour, 

 

En cherchant quels pourraient êtres les projets les plus motivants pour les années à venir je me suis mis à orbiter autour de cette idée du Mass driver, une sorte de catapulte électromagnétique (http://fr.wikipedia.org/wiki/Catapulte_électromagnétique) appliqué à des objets que l'on veux satelliser. N'ayant pas trouvé de sujet correspondant dans ce forum, j'ai décidé d'en créer un et d'y lister plusieurs aspect. Ces listes sont bien sur incomplètes

 

 

Avantages :

 => objet volant plus léger  

 => la réduction de dimension facilite l'entrée en atmosphère

 => le vecteur devient réutilisable (on vas dire, à partir d'une centaine de réutilisations)

 => énergie délocalisée 

 ----> la production d'énergie de fait en dehors du projectile :

 --------------------- installation plus durables

 --------------------- possibilités de canaliser des puissances importantes 

 ----> Allègement du projectile 

 

 

Inconvénients :

 => investissement initial important 

 => Maturité des techno nécessaires? 

 

 

  ----> Vol Hypersonique contrôlé:

 => Accélération dans un tube sous vide

 ----> Problème taille du projectile:

 --------------------- diamètre et longueur du tube difficile à maintenir sous vide à de telles dimensions (structure, porosité)

 --------------------- choc avec l'air en sortie de canon à 9000m/s Ouch!

 => dimensions titanesques 

--------------> avec une limite à 2g d'accélération il faut 2060km pour atteindre les 9000m/s intéressants

 => (si vous avez des suggestions?)

 

Autre :

 => objectif de plusieurs lancés par jours 

 => au minimum atteindre l'orbite de la station spatiale 

 => maintenir un coût de lancé qui puisse être rentable 

 => masse envoyé 5 tonnes (parce qu'il faut bien commencer avec quelque chose)

 

Localisation :

 => pour l'instant, aucune idée mais une montagne près de l'équateur ça peut être intéressant 

 

Systèmes possibles :

 ----> Propulsion Magnétique :

Un courant passe dans des bobines. Cela crée un champ magnétique dirigé au cœur de la bobine qui peut être utilisé pour accélérer un objet magnétique. 

 --------------------- voir coil gun (coil = bobine) https://www.youtube.com/watch?v=avFFBsdn_Wo&list=PL1Fl5Vdum9rlAuhv7-cZoGUMbYjZbKn-w

 ----> Propulsion Electrique :

Le concept consiste à établir une différence de potentiel électrique entre deux rails parallèles conducteurs de l'électricité et à insérer entre eux un projectile conducteur pouvant glisser ou rouler dessus, en faisant contact. Dès que le contact a lieu, un courant électrique circule entre les deux rails, un champ magnétique naît et le projectile est accéléré par la force de Laplace (interaction entre le courant qui circule dans le projectile et le champ magnétique créé (F = j^ 8)).(Wiki)

 --------------------- voir rail gun (http://www.opex360.com/2014/04/10/lus-navy-va-tester-canon-electro-magnetique-bord-dun-navire-en-2016/)

 

  ----> Propulsion Chimique (poudre => voir De la terre à la Lune) :

 

  ----> Propulsion Gaz léger + injection distribuée + vol hypersonique + rocket :

Un Gaz de faible masse moléculaire est compressé et chauffé dans des chambres le long du canon puis injecté pour propulser le projectile. Le lien fournis par Hadriel décrit un système de ce type qui serait rentable pour une charge utile de 100kg.

--------------------- vitesse en sortie de l’ordre de 6-8 km/s

--------------------- jusqu’à 2 lancés par jour, 300 par ans

--------------------- 5500$/kg en orbite basse

--------------------- techno déjà bien développés

--------------------- Mixe entre canon et fusée

--------------------- accélération 2500g qui empêche le transport d’humain. 

--------------------- 1.5-2.5M$ pour lancer un micro satellite sur un coup de tête

 

 

  ----> Propulsion autre:

 

Architecture:

  ----> Canon sur le sol, haute vélocité (9-10km/s)

  ----> Canon sur le sol, basse vélocité (1km/s) (Alpaks) (emport passagers)

Dans le canon, le véhicule est accéléré jusqu’à mach 3. La suite de l’accélération est fournie dans l’atmosphère par un moteur soit roquette soit statoréacteur. L’accélération se fait moins brutale (pour une accélération constate à 2g il faudrait « seulement » 25km de canon). Le véhicule atmosphérique doit être capable et d’accélérer en continu sur les 80 à 100km d’atmosphère qui suivent. Comme il ne montera pas à la vertical, on a loisir de choisir une pente qui limitera l’accélération à 2g (pour 100km de monté avec une accélération continue sur 2000km on aura une pente de 2°)

  ----> Launch loop (stormshadow) :

Un peut comme le pont spatiale qui suit la launch loop propose un rail haute vitesse en altitude là les les frottements de l'air deviennent acceptable à 9km/s. Sa caractéristique est d'intégrer ce rail à un système de boucle qui permet de l'utiliser dans les deux sens. Si dans le principe l'infrastructure est proche du pont spatiale, il serait intéressant de l'intégrer à un réseau de trains intercontinentaux.^^

  ----> Pont spatiale (stormshadow) (désolé je reprends texto) :

Le rail serait maintenu en l'air par des electroaimants aux sol et stabilisé par des cables. Des mini-navette transportant du fret et/ou des passagers monteraient a 100km d'alttitude a vitesse modéré en utilisant le rail (dont une partie touche le sol) puis seraient accélérer jusqu'a atteindre une vitesse suffisante (8-10km/s) pour s'orbiter. Une fois la mission accomplis, les navettes reviendrait se poser puis serait recharger et remis sur le rail pour un nouveau lancement.

http://autogeny.org/tower/tower.html

----> Star Tram (stormshadow)

Il s’agit d’un canon haute vélocité dont la sortie débouche à une altitude où la densité de l’air est suffisamment faible pour éviter le choc en sortie de tube.

http://www.startram.com

 

 

 

Alternatives :

 => Fusées classiques

 => Avion porteur 

 => Avion disposant de plusieurs type de propulsion différents. (Jet, stato, roquette)

 => Dirigeable ^^ (elle est gonflée celle là)

 

 

 

PS 1 : si un sujet sur ce type de lanceur existe déjà autant supprimer celui là

PS 2 : J'essayerais de mettre à jours le premier poste en fonction des info données par les participants 

Modifié le 22 avril 2014 par fox49

[Toratoratora]

Dans l'ideal le tube d'accélaration devrait être sous vide (ou au moins en sous pression) pour limiter les frottements lors de l'accélaration et une éjection à haute altitude où l'atmosphère est moins dense.

Mais ça reste très complexe, sur le principe c'est la même chose que le canon électromagnétique testé par la navy mais en gigantesque.

Il y a un sujet qui en traite ici, c'est le railgun dans marine américaine du futur je crois.

En sachant qu'il faut une quantité d'énergie considérablement (doux euphémisme) supérieure et une distance d'accélaration qui se compte en kilomètres.

c'est ça :

 

Mais on remplace une petite flèchette de quelques dizaines de kilos, par une capsule de plusieurs tonnes, une gageure en l'état actuel.

 

Donc, un tunel sous vide de plusieurs kilomètres qui tendrait lentement vers la verticale, adossé à une montagne, pas un seul péquin à plusieurs km de la bouche d'éjection ni dans la trajectoire (ça c'est le plus simple à priori), idéalement dans l'axe de l'équateur en contre rotation de la terre et une centrale nucléaire à coté pour fournir l'énergie. Plus toutes les installations et le personnel pour maintenir le site.

Ariane a encore de beaux jours devant elle.

[fox49]

Updated, pour l'angle du tunnel, si on se fixe une limite de G, il vaux mieux éviter de viser à la verticale. Mais là je n'ai pas de données à ce sujet. 

[hadriel]

Quel que soit la technologie utilisée pour l'accélération ça pose de gros problèmes de frottements et de résistance aux accélérations. Et plus on veut des charges utiles larges (pour mettre un miroir par exemple), pire c'est.

Un article sur un projet similaire (accélération à poudre par contre): https://dl.dropboxusercontent.com/u/108564708/gun%20launcher.pdf

[stormshadow]

Il y a déja plusieurs projet dans les cartons utilisant le principe du Mass driver:

 

- Star tram = coil gun + tube sous vide + accélération magnétique

 

http://en.wikipedia.org/wiki/StarTram

 

http://www.startram.com/

 

https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxzdGFydHJhbXByb2plY3R8Z3g6NDI1YjVjZmMwZmRjY2VlMg

 

https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxzdGFydHJhbXByb2plY3R8Z3g6NjBhZmQ1YTE3MzY2MTA0Mg

 

- Launch loop = un rail magnétique de 2000km de long suspendu a 80km d'altitude (pas de frottements de l'air)

 

http://en.wikipedia.org/wiki/Launch_loop

 

http://launchloop.com/

 

http://www.spacecable.org.uk/Stability%20IAC.pdf

 

- Pont spatiale = un pont suspendu a 100km d'altitude (pas de frottements de l'air) maintenue par des tiges en nanotube sur lequel un rail magnétique accélére des charges.

 

http://autogeny.org/tower/tower.html

 

 

A mon avis on peut contourner tous les problémes avec un tube sous vide em forme de cercle dans lequel des navettes sont accélérer magnétiquement (rail maglev), font plusieurs tours pour aquérir un vitesse suffisante puis sont ejectés. Ainsi on un tube pas trop long et aucun probléme de frottement dans le tube vu qu'il est sous vide. Une fois que la navette a fait son job, elle revient se poser et est remis dans le tube pour une nouveaux lancement.

 

Le probléme c'est que vu l'accélération et les forces centrifuge on ne pourrait envoyer que des cargos.

 

Quand a l'energie c'est pas si énorme que ça. A 10km/s de dV ça ne fait que 50 GJ par tonne. Ce que produit une centrale nuke en 50s.

 

PS: Attention un coil gun (canon magnétique) ce n'est pas la meme chose qu'un rail gun (canon electrique).

 

http://fr.wikipedia.org/wiki/Canon_magn%C3%A9tique

 

http://fr.wikipedia.org/wiki/Canon_%C3%A9lectrique

Modifié le 21 avril 2014 par stormshadow

[fox49]

de la lecture ^ ^

[stormshadow]

Sinon pour envoyer des humains il faut absolument limiter la décélération a la sortie du tube du aux frottement de l'air une fois la vitesse atteinte (10km/s) ce qui suppose que la vitesse finale ne soit atteinte que en trés haute altitude.

 

Une idée (un peu loufoque ??? ) serait de suspendre un rail magnétique a 100km d'altitude (ou moins si la décélération du au frottement reste raisonable) la ou il n'y a (presque) aucun frottements.

 

Le rail serait maintenu en l'air par des electroaimants aux sol et stabilisé par des cables. Des mini-navette transportant du fret et/ou des passagers monteraient a 100km d'alttitude a vitesse modéré en utilisant le rail (dont une partie touche le sol) puis seraient accélérer jusqu'a atteindre une vitesse suffisante (8-10km/s) pour s'orbiter. Une fois la mission accomplis, les navettes reviendrait se poser puis serait recharger et remis sur le rail pour un nouveau lancement.

 

Avec une accélération de 5g et une vitesse de 10km/s a atteindre le rail devra avoir une longueur de 1000km. Avec une charge utile de 25t et en assumant que la charge utile est 25% de la MTOW de la navette cela fait 100t a lancer. Pour lancer 100t a 10km/s il faut une energie de 5TJ. Cette energie doit etre fournis pendant les 200s d'accélération ce qui néccésite une puissance moyenne de 25GW et un pic de puissance de 50GW.

 

Avec un lancement tous les 200s et un fonctionnement de 8000h (sur 8760h) par an cela ferait 144 000 lancements/an soit 3 600 000t de charge utile envoyé en orbite par an pour un seul systéme (rien n'empeche d'en construire plusieurs).

 

Ça serait un projet de trés grande envergure a ne pas douter. :) ;)

Modifié le 21 avril 2014 par stormshadow

[kalligator]

Ca me rappelle le bouquin de J. Verne "de la terre à la lune" avec un méga-canon

[stormshadow]

http://launchloop.com/slides/launchloop.pdf

[Toratoratora]

Et là, petit à petit, les projets deviennent tellement pharaoniques qu'on se rapproche d'un ascenseur spatial...

 

[alpacks]

    Pour moi la seule chose réellement envisageable a notre niveau technologique tant actuel que celui sur lequel on pourra compter dans environ 30-40 ans quand a l'option d'une propulsion électromagnétique via un tunnel :

 

    C'est uniquement de lui exiger d'y concentrer la séquence décollage et prise de vitesse jusqu'a environ mach 3-4 d'un lanceur ...

 

  Mais rien au de la car sinon les G a supporter ne serait ce que pour la structure de l'engin lancé serait impossible a encaisser, n'oubliez pas qu'un simple fighter moderne subit déja des contraintes en termes de G qui dès les 7-8 G menace la qualité de la structure ... Hors pourtant un fighter c'est compact et donc aisé a renforcer pour résister contre (si tant est que les matériaux suffisamment solide pour le faire n'alourdissent pas trop ...) et malgré cela, ils ont des G a ne pas dépasser pour ne pas soit user prématurément la structure ou bien céder purement et simplement et déformer l'appareil !

 

     Hors bon atteindre 10 km/s en quelques km de tunnel électromagnétique, je n'ose même pas imaginer la quantité de G qu'il y aurait a encaisser ... Rien qui soit dans le raisonnable et accessible a nos technologies des matériaux ...

 

  

   La limite du raisonnable pour un canon électromagnétique ce serait de lui confier l'arrachage au sol de l'engin, et une prise de vitesse relative qui permettrait d'envisager une division assez sensible de la quantité de carburant a embarquer ...

 

    Car l'un des principaux problèmes de fond qu'on avec les lanceurs a propulsion chimique qu'elle soit solide ou a ergol liquide :

 

   C'est la quantité d'énergie assez énorme qu'on gaspille (mais qu'on a pas le choix de gaspiller) pour arracher le lanceur du sol et lui faire prendre la vitesse d'environ 1km/s (soit mach 3 environ) avant de larguer la propulsion principale une fois cette vitesse atteinte : Car un moteur beaucoup + léger et des quantités de carburant moindre peuvent prendre le relais une fois ceci fait ... (d'ou pourquoi dans le cas par exemple de la navette américaine ou A5 on largue les boosters, qui sont la raison a 90% pourquoi le train spatial a réussi a quitter le sol et réussi a prendre la vitesse d'environ 1km/s)

 

 

     On pourrait donc a la limite demander a un tunnel électromagnétique ou l'on insérerait le lanceur, de se charger a lui seul de cette séquence :

 

  Arracher le train spatial du sol, lui faire prendre la vitesse de 1km/s (mach 3) ... Mais pas au de la car on dépasserait alors très probablement en G ce qu'aucune structure même dense et avec les matériaux les + solides ne pourrait résister ...

 

     Et bon le progrès malgré cette limite, serait sensible car on aurait alors plus besoin que des moteurs dont on se contente déja très bien aujourd'hui une fois les masses mortes de la propulsion principale larguées ... Et de la quantité de carburant bien moindre qui va avec ... En gros ça amènerait le besoin en propulsion chimique a un facteur de diminution des requis d'environ 10 ... (besoin de 10x moins de poussée, 10x moins de carburant ...)

 

     Voila ce qu'on peut espérer avec un tunnel électromagnétique ... Mais très certainement pas au de la, car sinon les G requis a induire a l'engin lancé seraient monstrueux et hors de propos quand a ce qu'on peut espérer lui faire tenir ...

[fox49]

@Kalligator, t'as compris d'où viens l'idée du sujet ^^

@Tora tora tora, là on est plus sur une ère pré-ascenseur spatiale (et un ascenseur spatiale ça vol pas)

@Hadriel surper le doc, j'ai pas encore tout lu mais principe est amusant

@StormShadow, intéressant mais ça fait quand même de sacrais structure à faire tenir en l'air. 

@alopaks, j'aime bien l'idée du véhicule pré accéléré par le canon.

En utilisant un moteur à hydrogène qui puise l'oxygène dans l'atmosphère.

[Shorr kan]

Avec cette très séduisante idée de mass driver, je me demande comment, et comme ça été évoqué plus haut, la décélération à la sortie du tube sous-vide sera géré si l'on considère une installation compacte ?

 

Peut être en régulant la pression atmosphérique sur la dernière portion du tube de façon a ce qu'elle augmente sans à coup, continument ; mais je ne voie pas comment cela pourrait être réalisé, et ce aussi bien la monté progressive de la pression que la gestion des ondes de chocs dans le tube ?

[stormshadow]

La solution la plus prometteuse me semble le launch loop car il ne requiére pas de matériaux exotiques (supraconducteur), s'affranchis du probléme de la décéllération du aux frottements en accélérant les charges a trés haute altitude ce qui permet de lancer des passagers et permet d'utiliser des navettes SSTO RLV peu couteuse. En plus le fait qu'il soit situé en THA fait qu'il peut etre utilisé pour du tourisme en THA ainsi comme antenne radio.

 

Le probléme c'est qu'on a aucune expérience dans les structures actives (maintenue par des force magnétique) et qu'il va falloir dans tous les cas stoker de grande quantités d'energies et puis la délivrer rapidement.

 

Le lancement magnétique a le potentiel de réduire les couts de lancement aux cout de l'electrité soit pour 10km/s ça fait 15kWh soit 1.5 euros/kg (pour un prix 100 euros/MWh).

 

 

Avec cette très séduisante idée de mass driver, je me demande comment, et comme ça été évoqué plus haut, la décélération à la sortie du tube sous-vide sera géré si l'on considère une installation compacte ?

 

En mettant la sortie du tube en THA la ou la pression de l'air est bien moindre qu'au niveau de la mer. C'est ce que propose Star Tram Gen-2 ainsi que le Launch Loop.

Modifié le 22 avril 2014 par stormshadow

[Shorr kan]

Est-ce qu'il existe des projets d'accélérateurs sur des tours géantes qui affleureraient juste au dessus de la stratosphère, soit quelques dizaines de kilomètres de hauts ?

 

D'ailleurs, l'acier et le béton nous permettent de construire des tours de quelles hauteurs limites ?

[fox49]

ça fait un peut haut quand même pour le launch loop et le pont spatiale. Construire de telles structures serait déjà problématique au sol alors les faire tenir à 80-100km d'altitude à une époque où on envisage à peine des tours de 1km.

[stormshadow]

D'aprés ce que j'ai compris pour le launch loop, pour se maintenir en l'air, il fait circuler a l'interieur de son cable un autre cable a trés haute vitesse sur un rail magnétique et sous vide. Les forces centrifuges du au mouvement du cable intérieur font soulever le cable principale et le maintiennent en l'air. Le cable principale est attaché au sol par d'autres cable qui sont chargé de le stabiliser face a toute perturbation.

Modifié le 23 avril 2014 par stormshadow

[zone 51]

Une idée peut-être pour la sortie du tube.

Précéder la charge à satteliser d'une première ogive. Celle-ci pousserais l'air et la charge principale n'aurais qu'à se faufiler dans la dépression.

C'est viable à votre avis?

[fox49]

Pour avoir une pressurisation plus graduelle en sortie du tube, pourquoi pas, mais je proposerais aussi : 

 

pressurisation graduelle dans une section de fin de tube soit par un élargissement soit par d'autres artifices, ça permettrais de ne pas utiliser un explosif (potentiellement dangereux) et de bien maîtriser le gradient de pression. 

[zone 51]

Est-ce qu'il y a une masse maximum pour la charge d'un railgun? Que dit la physique?

Je parle bien de lois physique et pas de problèmes technique.

Pour faire imagé, est-ce qu'on peut mettre un star destroyer sur un rail? Aller soyons fou, une planète voir une étoile.

Je me demandais si la gravité ne finissait pas par l'emporter sur l'éléctromagnétisme à une certaine échelle.

Ou simplement si l'énergie nécessaire à une telle opération n'avoisinait pas l'infini.

[fox49]

Effectivement, pour la masse, les limites sont par forcées la résistance des matériaux (mécanique et échauffement) et l'énergie mais également de nombreux autres facteurs qui dépendent de notre avancement technologique. Mais pour te donner une idée le canon à gaz qui est asse petit (2 km) et faisable avec ce que l'on a et dimensionné pour 250 kg dans l'espace (7-8 km/s en sortie de canon).

 

Mais de là à envoyer 550 tonnes (A380), il y aura d'autres problèmes sur le projectile car plus il est gros plus la structure nécessaire pour résister à ces vitesses sera importante. En conséquence de quoi il faudra regarder à deux fois le rapport masse à vide/masse maximum au décollage. Il se pourrait bien que les petits moustiques aient un avantage non négligeable sur les gros moucherons.

 

Mais il ne faut pas oublier quel l'on peut réduire la vitesse de sortie canon et compléter la vitesse manquante avec une accélération dans l’atmosphère... Ce qui change encore l'équation. Et que l'énergie transférée par unité de temps et de longueur devra être beaucoup plus importante que dans le canon à gaz. Pour le rail gun il faut que je relise quelques docs.

[stormshadow]

 

Mais de là à envoyer 550 tonnes (A380), il y aura d'autres problèmes sur le projectile car plus il est gros plus la structure nécessaire pour résister à ces vitesses sera importante. En conséquence de quoi il faudra regarder à deux fois le rapport masse à vide/masse maximum au décollage. Il se pourrait bien que les petits moustiques aient un avantage non négligeable sur les gros moucherons.

 

Par forcément besoin d'une accélération énorme, le Star tram gen 2 et launch loop contourne chacun le problème de l'accélération et de la résistance de l'atmosphère afin de pouvoir envoyer des hommes dans l'espace.

 

Si on veut un système capable d'envoyer des hommes dans l'espace l'accélération doit rester faible et la sortie doit se faire en THA afin de garder la décélération dû aux frottements de l'air raisonnable.

Modifié le 27 septembre 2014 par stormshadow