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Ioana – Roxana PERRIER  Organisation du module Date Cours Lieu/ Enseignant 17/12/2024 Introduction générale IPSA/ IR Perrier 20/12/2024 Technologie lanceurs & co IPSA/ IR Perrier 06/01/2025 Les coordonnées célestes Cité de l’Esp...

Ioana – Roxana PERRIER  Organisation du module Date Cours Lieu/ Enseignant 17/12/2024 Introduction générale IPSA/ IR Perrier 20/12/2024 Technologie lanceurs & co IPSA/ IR Perrier 06/01/2025 Les coordonnées célestes Cité de l’Espace/ IR Perrier 10/01/2025 Trace au sol Amphi IPSA/ IR Perrier 6-17/01/2025 Application des acquis Salles TP/ JF Parmentier 20/01/2025 Partiel 1heure IPSA/ IR Perrier & JF Parmentier Objectif de la séance:  Missions spatiales  Lanceurs et technologies  Actualité spatiale 19/12/2024 SpaceX va lancer l’atterisseur lunaire Blue Ghost de la société Firefly Aerospace vers la LUNE  Quand? mi-Janvier 2025  Lanceur? Falcon 9 space.com  Pourquoi ? 10 charges utiles de la NASA  Durée attendue mission? 60 jours 14 jours en surface lunaire “Firefly Aerospace and Japan's ispace are putting their moon landers on the same Falcon 9 rocket.” Donnez un exemple de charge utile  Mission spatiale Quand? Fenêtre de tir, en astronautique* est la période pendant laquelle les conditions optimales pour le lancement d'une fusée sont réunies. Lanceur? Véhicule aérospatial autopropulsé capable de placer une charge utile dans l’espace Élément ou ensemble d’éléments que transporte un Charge utile? véhicule aérospatial ou spatial tel qu’un lanceur ou un satellite, et qui est destiné à remplir une mission déterminée.( Anglais: payload) *Astronautique = 1. Science de la navigation dans l'espace. 2. Ensemble des sciences, des techniques et des activités humaines rendant possibles les vols spatiaux, ou rendues possibles par ceux-ci.  L’espace – types de charge utile Non habité:  Satellite Un satellite est constitué de deux sous-ensembles : Cube Sat  Télescope la charge utile = instruments nécessaires pour la mission : antennes et  Sonde amplificateurs pour un satellite de télécommunications, instrument d'optique pour l'observation de la Terre, etc. ;  Rover la plate-forme, ou module de service - supporte la charge utile , lui fournit les ressources dont elle a besoin pour son fonctionnement , maintient le satellite sur son orbite selon l'orientation demandée et assure la liaison avec les stations à Terre. Les principales caractéristiques d'un satellite sont sa charge utile, sa masse, sa durée de vie opérationnelle, son orbite et sa plate-forme. 7  L’espace – types de charge utile Non habité: Le satellite: scientifique ou d’application Ils ont une application commerciale dans les domaines :  Satellite de télécommunication ; d'observation de la Terre (télédétection) ;  Télescope de navigation ; militaires.  Sonde Le satellite doit produire de l’énergie pour : les sous-systèmes de plate-forme, chargés des tâches secondaires  Rover maintenir le satellite en état de fonctionnement ; les équipements de charge utile. L'Electrical Power Subsystem (EPS) est un des sous-systèmes du satellite – gestion de l’énergie à bord. représente entre 20 et 40% de la masse du satellite. 8  L’espace – types de charge utile Non habité:  Satellite  Télescope spatial*  Sonde  Rover Télescope spatial Hubble wikiwand.com 24 avril 1990 Discovery Masse: 11000 Kg Altitude: 590 km *Un télescope spatial est un télescope placé au-delà de l'atmosphère.  L’espace – types de charge utile Non habité:  Satellite  Télescope  Sonde*  Rover Sonde Voyager 1: 5 septembre 1977 Titan IIIE/Centaur Masse: 721 Kg (au décollage) Mission :exploration Système Solaire *Engin spatial non habité qui est destiné à explorer l’espace hors de la gravisphère terrestre  L’espace – types de charge utile *Engin spatial ou élément d’un engin spatial qui reste en orbite autour d’un astre pour assurer des Non habité: missions spécifiques d’une durée déterminée.  Satellite  Télescope  Sonde  Orbiteur* Rover  L’espace – types de charge utile Non habité:  Satellite *En français: Astromobile Véhicule conçu pour se déplacer à la surface  Télescope d’astres autres que la Terre.  Sonde  Rover*  L’espace – types de charge utile Non habité: Curiosity Aout 2012 jusqu’au 19 sept. 2024  Satellite - 32.39 km (20.13 miles) Perseverance  Télescope Fevrier 2021 jusqu’au oct. 2024, + 30 km (18.65 miles),  Sonde 24 échantillons de roche et régolite, mais aussi des échantillons d’atm martienne.  Rover 13  L’espace – charge utile- nouvelle technologie Non habité: Mini-navette spatiale automatisée:  Expériences en microgravité  Validation sur orbite/démonstrations dans:  L’exploration robotique  Observation de la Terre  Science, télécommunication  Inspection de satellites  Lancement prévu 2025 https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/Space_Rider 14  L’espace – types de charge utile Habité: SOYOUZ Nombre de passager: 3 Masse totale: 7,15 t  Soyouz Hauteur totale: 7,48 m  Crew Dragon  Shenzhou Module orbital (A): 1 Système d'amarrage et écoutille, 2 et 4 antenne Kours, 3 antenne transmission TV, 5 caméra, 6 écoutille Module de descente (B) : 7 compartiment parachute, 8 périscope, 9 hublot, 11 bouclier thermique Module de service (C) : 10 et 18 moteurs de contrôle d'orientation (RCS), 12 senseurs de Terre, 13 senseur solaire, 14 point d'attache des panneaux solaires, 15 capteur thermique, 16 antenne Kours, 17 propulsion principale, 19 antenne télécommunications, 20 réservoirs ergols, 21 réservoir oxygène 15 L’exploration de l’espace 2020 Retour des vaisseaux américains habités Crédit : Tony Bela 7,5-10 t 7,5-10 t L’espace – types de charge utile CREW DRAGON Habité: Nombre de passager: 2- 4 Masse totale: 7,5 -10 t Hauteur totale: 7,2 m  Soyouz Crew Dragon  Shenzhou Dailygalaxy.com 17  L’espace – types de charge utile Habité: SHENZHOU Nombre de passager: 3 Masse totale: 7 840 kg  Soyouz Hauteur totale: 9,25 m  Crew Dragon  Shenzhou Diamètre Hauteur Masse Volume Envergure panneaux (m) (m) (kg) (m3) solaires (m) Module de commande 2,52 2,50 m 3 240 6,00 - https://destination-orbite.net/exploration/vaisseaux-spatiaux/le- vaisseau-du-programme-shenzhou Module orbital 2,25 m 2,80 m 1 500 kg 8,00 m3 10,40 m Module de service 2,50 m 2,94 m 3 000 kg - 17,00 m 18  L’exploration de l’espace - Évènements historiques 15 juillet 1975  Apollo -Soyouz Slayton, Stafford et Brand; Leonov et Koubassov Encyclopédie du cosmos et des engins spatiaux, Edition Garnier , 1982 19  L’exploration de l’espace - Évènements historiques 12 avril 1981 vol de la première navette réutilisable COLUMBIA Encyclopédie du cosmos et des engins spatiaux, reves-d-espace.com Edition Garnier , 1982 20 Quels sont les dangers de l'espace? L’espace – le vide spatial Dangers multiples !  Protections pour toute sortie extravéhiculaire (radiations, températures extrêmes, impacts …)  Protections d'ensemble adaptées (blindages multi couches, étanchéité...)  Ravitaillement (cargos: ATV, Progres, Cygnus, HTV, Dragon...) crédit © Pixabay 23 L’espace – le vide Effets du vide :  Protections pour toute sortie extravéhiculaire (radiations, temperatures extrêmes, impacts …)  Protections d'ensemble adaptées (blindages multi couches, étanchéité...)  Ravitaillement (cargos: ATV, Progres, Cygnus, HTV, Dragon...)  L’espace – le vide Pour plus d’informations : https://www.americanscientist.org/article/the-past-and-future-space-suit 25  L’espace – le vide Effets du vide :  Protections pour toute sortie extravéhiculaire (radiations, températures extrêmes, impacts …) MultiLayerInsulation Closeup  Protections d'ensemble adaptées (blindages multi couches, étanchéité...)  Ravitaillement (cargos: ATV, Progres, Multi-Shock Shield Credit: Nasa, “hypervelocity and Cygnus, HTV, Dragon...) impact systems” departement 26  L’espace – charge utile  Protections pour toute sortie extravéhiculaire  Protections d'ensemble adaptées (blindages multi couches, étanchéité...)  Ravitaillement (cargos: ATV, Progres, Cygnus, HTV, Dragon...) eau , nourriture, habits.. Schéma ATV-2: A Module cargo : B Module de service ; 1 Propulsion principale ; 2 Moteurs de contrôle d'orientation ; 3 Réservoirs eau, air et ergols ; 4 Antenne ; 5 Volume pressurisé ; 6 Système d'amarrage/écoutille ; 7 Système de guidage ; 8 Panneau solaire 27  Nouvelles technologies « ArianeGroup propose Susie (Smart upper stage for innovative exploration ou « étage supérieur intelligent pour l’exploration innovante »), un nouveau concept d’étage supérieur de fusée entièrement réutilisable, répondant aux besoins futurs de transport vers, dans et depuis l’espace. Remplaçant la coiffe du lanceur, Susie pourra fonctionner en mode cargo automatisé ou remplir des missions habitées, avec un équipage allant jusqu’à 5 astronautes. » Modélisation de SUSIE https://www.ariane.group/fr/actualites/susie- le-transport-spatial-reutilisable-a-leuropeenne/ 28 Mission spatiale https://nextspaceflight.com/locations/ « Le cercle des puissances spatiales » PAYS 1er lancement Satellite/masse Fusée /lanceur Union soviétique 4/10/1957 Spoutnik 1, 83,6 kg R7 (Semiorka) États-Unis 31/01/1958 Explorer 1, 14 kg JUPITER C France 26/11/1965 Astérix, 38 kg DIAMANT A Japon 11/04/1970 Oshumi, 23,8 kg LAMBDA L4S-5 Chine 24/04/1970 Chine 1, 173 kg LONGUE MARCHE 1 Grande Bretagne 28/10/1971 Prospero, 66 kg BLACK ARROW Inde 18/07/1981 RS-E2, 35 kg SLV3 Israël 17/09/1988 Offek 1, 156 kg SHAVIT Iran 2/02/2009 Omid, 25 kg SAFIR Guide des lanceurs spatiaux , troisième édition, Serguei Grichkov et Laurent de Angelis Lanceurs français A-1 « Asterix » – 26 nov. 1965 1er satellite français sur orbite terrestre Les fusées du programme des Pierres Précieuses.  Lanceurs européens Plan et organisation du Centre Spatial guyanais. La famille des fusées Ariane 1 à 5 Fusée européenne – nouvelles technologies Fusée européenne – nouvelles technologies https://www.youtube.com/watch?v=40yATqOZFo4 34 Fusée européenne – nouvelles technologies 35 Fusée européenne – nouvelles technologies Crédit ESA 3 novembre 2022 Concept Phoebus  Premier moteur de fusée européen réutilisable Prometeus « Avec ce premier allumage, le projet de développement de moteurs-fusées Prometheus réutilisables de nouvelle génération, l'ESA a franchi une étape vers les essais à chaud. Les travaux en cours dans les installations du maître d'œuvre d'ArianeGroup à Vernon, en France, sont menés en utilisant le démonstrateur de l'étage réutilisable Themis comme banc d'essai. Le Prometheus - poussée de 100 tonnes utilise de nouveaux matériaux et techniques de fabrication conçues pour réduire son coût à seulement un dixième de celui de Vulcain 2 d'Ariane 5, dont une version améliorée - Vulcain 2.1 - alimente l'étage central d'Ariane 6. » Crédit ESA 18 novembre 2022 Moteur fusée Prometeus Le projet européen SALTO (reuSable strAtegic space Launcher Technologies & Operations) -> Themis démonstrateur d’étage principal réutilisable de lanceur spatial c’est un programme de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) dont la phase initiale de développement a été lancée fin 2020. 37  Fusée européenne – plan de vol https://cnes.fr/actualites/ariane-6-point-de-situation-conjoint-post-lancement Lanceur SLS https://blogs.esa.int/orion/2022/11/15/artemis 39 Lanceur SLS –NASA – novembre 2022 https://blogs.esa.int/orion/2022/11/15/artemis 40 Lanceur SLS – NASA – novembre 2022 https://blogs.esa.int/orion/2022/11/15/artemis Lanceur SLS –NASA – novembre 2022 https://blogs.esa.int/orion/2022/11/15/artemis-i-short-mission-overview/?fbclid=IwAR2- qZyjeYdlFJU49XyEunus1Z8VQvNNNNyAcrw3wjgDkAlViULHl1Sj3tU 42 Evolution des lanceurs Evolution des lanceurs https://reves-d-espace.com Evolution des lanceurs https://reves-d-espace.com  Le moteur - fusée Le moteur-fusée* est le type de moteur au principe de fonctionnement le plus simple : deux ergols brûlent dans une chambre de combustion, sont accélérés et sont éjectés à grande vitesse par une tuyère. *Propulseur à réaction qui n’utilise pendant son fonctionnement que des ergols stockés à bord, sans avoir recours à l’oxygène atmosphérique. 46  Lanceurs et technologies Le moteur à ergols liquides classique UDMH + 𝑁𝑁2 𝑂𝑂2 Europe: Ariane 1 à 4 Russie: Proton Chine: Longue Marche Exemple vitesse d’éjection propergol liquide classique: 2670 m/s 47 Guide des lanceurs spatiaux , troisième édition, Serguei Grichkov et Laurent de Angelis  Lanceurs et technologies Le moteur à ergols cryotechniques- Vulcain 𝐻𝐻2 liq = −253°𝐶𝐶 𝑂𝑂2 liq = −183°𝐶𝐶 𝜌𝜌H2 liq = 70𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑚𝑚3 Schéma Alimentation par pressurisation des réservoirs : 1 Réservoir carburant, 2 Réservoir comburant, USA – 1963 3 Vannes, EU – 1979 4 Chambre de combustion, RUS - 1988 5 Échangeur thermique, 6 Réservoir gaz utilisé pour la pressurisation, 7 Tuyère. Exemple vitesse d’éjection propergol cryogénique: 3690-4000 m/s 48 Guide des lanceurs spatiaux , troisième édition, Serguei Grichkov et Laurent de Angelis  Lanceurs et technologies Le moteur fusée à propulsion hybride liquide-solide: https://aerospacenotes.com/propulsion-2/hybrid-rocket-propulsion/ https://contest.techbriefs.com/2010/entries/transportation/811 “Hybrid rocket propulsion technology for space transportation revisited - propellant solutions and challenges” Adam Okninski, Wioleta Kopacz, Damian Kaniewski, Kamil Sobczak. FirePhysChem, Volume 1, Issue 4, December 49 2021, Pages 260-271.  Lanceurs et technologies La poussée d’une fusée: correspond à la masse des gaz éjectés (kg/s) par le moteur chaque seconde multipliée par la vitesse d'éjection (m/s). Il s'agit d'une force: F = veqm + A1.(P1 − Pa) F poussée en newtons (N) ve vitesse d'éjection des gaz en m/s qm débit massique en kg/s A1 aire de la section de sortie de la tuyère en 𝑚𝑚2 P1 pression à la sortie de la tuyère en Pa Pa pression ambiante ou pression à l'extérieur en Pa Cette relation se simplifie lorsque P1 = Pa et devient F = veqm dans ce cas précis on dit que la tuyère est adaptée ou que le régime de fonctionnement est adapté. C'est dans ce régime que le moteur de fusée a son meilleur rendement. 50  Lanceurs et technologies L’impulsion spécifique  Performance d’une fusée  indique la durée pendant laquelle un kilogramme de propergols produit une poussée qui équivaut à une force de 9,81 Newton soit 1 Kg. 𝐹𝐹 𝑣𝑣𝑒𝑒 𝐼𝐼𝑠𝑠𝑠𝑠 = = 𝑞𝑞 𝑔𝑔0 9,81 Isp (impulsion spécifique) se mesure en s q (débit massique d’éjection de gaz) se mesure en Kg/s 𝑔𝑔0 (l’accélération de la pesanteur) se mesure en m/𝑠𝑠 2 ou en N/Kg F (poussée du moteur en Newton) Quelques valeurs : Oxygène liquide + Kérosène : typique Isp = 3000 s, en pratique de 2250 à 3600 s L 𝐻𝐻2 + L 𝑂𝑂2 : 𝐼𝐼𝑠𝑠𝑠𝑠 = 4200 à 4400 s Peroxyde d'azote + UDMH : typique Isp =2850 - 2900 s, en pratique de 2000 à 3200 s Pour un moteur avec une 𝑣𝑣𝑒𝑒 = 3000 m/s a une 𝐼𝐼𝑠𝑠𝑠𝑠 de 305,8 secondes  Lanceurs et technologies Le moteur à ergols cryotechniques- Vulcain http://www.capcomespace.net/dossiers/espace_europeen/ariane/ariane6/ 52  Les ergols Vitesse de sortie des gaz suivant les types d’ergols utilisés Comburant Ozone Fluor Oxygène Acide Peroxyde nitrique d’azote Combustible Ergol = Constituant, soit comburant, soit combustible, d'un Alcool Ethylique 2160 propergol. Kérozène 2865 2860 3110 2420 2865 Propergol = Produit constitué par un ou plusieurs ergols, séparés ou Hydrazine 3200 2855 2600 réunis pour former un mélange (ou Hydrogène un composé) apte à fournir par 3975 3780 4300 réaction chimique l'énergie de propulsion d'un moteur-fusée. UDMH 3090 2857 3100 larousse.fr Ammoniac 3928 Méthane 3000 Vitesse exprimée en 𝑚𝑚𝑠𝑠 −1 Guide des lanceurs spatiaux , troisième édition, Serguei Grichkov et Laurent de Angelis  Lanceurs et technologies Calcul Δ𝑣𝑣 Equation de Tsiolkovski : 1) 𝑝𝑝2 𝑝𝑝⃗1 𝑝𝑝1 + 𝑝𝑝2 = 0 2) 𝑚𝑚1 𝑣𝑣1 = −𝑚𝑚2 𝑣𝑣2 Centre de masse 𝑚𝑚1 = masse fusée 𝑑𝑑𝑚𝑚𝑔𝑔 𝑣𝑣𝑔𝑔 −𝑑𝑑𝑚𝑚𝑓𝑓 𝑚𝑚2 = masse gaz éjecté 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑓𝑓 = = 𝑣𝑣 𝑚𝑚𝑓𝑓 (𝑡𝑡) 𝑚𝑚𝑓𝑓 (𝑡𝑡) 𝑔𝑔 𝑣𝑣1 = 𝑣𝑣𝑓𝑓 ; 𝑣𝑣2 = 𝑣𝑣𝑔𝑔 𝑚𝑚𝑓𝑓 (𝑡𝑡) −𝑑𝑑𝑚𝑚 𝑓𝑓 𝑚𝑚𝑓𝑓 (𝑡𝑡) Λ𝑣𝑣𝑓𝑓 = 𝑣𝑣𝑔𝑔 × = 𝑣𝑣𝑔𝑔 × − ln 𝑚𝑚𝑓𝑓 𝑚𝑚𝑓𝑓 (0) 𝑚𝑚𝑓𝑓 𝑚𝑚𝑓𝑓 (0)  Lanceurs et technologies Calcul Δ𝑣𝑣 Equation de Tsiolkovski : 𝑚𝑚1 = masse fusée 𝑚𝑚2 = masse gaz éjecté 𝑣𝑣1 = 𝑣𝑣𝑓𝑓 ; 𝑣𝑣2 = 𝑣𝑣𝑔𝑔 𝑚𝑚𝑓𝑓 (𝑡𝑡) −𝑑𝑑𝑚𝑚 Λ𝑣𝑣𝑓𝑓 = 𝑣𝑣𝑔𝑔 × 𝑓𝑓 = 𝑣𝑣𝑔𝑔 × − ln 𝑚𝑚𝑓𝑓 𝑚𝑚𝑓𝑓 (𝑡𝑡) 𝑚𝑚𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑚𝑚𝑓𝑓 𝑚𝑚𝑓𝑓 (0) Δ𝑣𝑣𝑓𝑓 = 𝑣𝑣𝑔𝑔 ln 𝑚𝑚𝑓𝑓 (0) 𝑚𝑚𝑓𝑓𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 Exemple: 𝑣𝑣𝑒𝑒 = 2500 m/s 1000 𝑚𝑚𝑖𝑖 = 1000 t 𝑣𝑣𝑓𝑓 = 2500 ln = 11513 m/s 10 𝑚𝑚𝑓𝑓 = 10 t  Lanceurs et technologies Calcul Δ𝑣𝑣 Equation de Tsiolkovski : 𝑚𝑚1 = masse fusée 𝑚𝑚2 = masse gaz éjecté 𝑣𝑣1 = 𝑣𝑣𝑓𝑓 ; 𝑣𝑣2 = 𝑣𝑣𝑔𝑔 𝑚𝑚𝑓𝑓 (𝑡𝑡) −𝑑𝑑𝑚𝑚 Λ𝑣𝑣𝑓𝑓 = 𝑣𝑣𝑔𝑔 × 𝑓𝑓 = 𝑣𝑣𝑔𝑔 × − ln 𝑚𝑚𝑓𝑓 𝑚𝑚𝑓𝑓 (𝑡𝑡) 𝑚𝑚𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑚𝑚𝑓𝑓 𝑚𝑚𝑓𝑓 (0) Δ𝑣𝑣𝑓𝑓 = 𝑣𝑣𝑔𝑔 ln 𝑚𝑚𝑓𝑓 (0) 𝑚𝑚𝑓𝑓𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 Application: 750 Δ𝑣𝑣𝑓𝑓 = 3000 ln 50