U R I S F C

UNION REGIONALE DES INGENIEURS

ET DES SCIENTIFIQUES DE FRANCHE-COMTE

 

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Compte-rendu de la journée « Espace » à ‘UTBM le 5 juin 2008

 

Journée organisée par : l’UTBM, le « Pavillon des Sciences » et le CNES.

Lieu : UTBM – Sévenans (90)

 

Participation : très bonne, 200 personnes assistèrent à la conférence dans l’amphithéatre P228

Participants URIS FC : Pascal BELLIER (INSA) - Jean-Pierre BULLIARD (INSA) – Pierre FONTAINES (INSA) – Jean RESTLE (INSA) - Jean-Paul WALTER (INSA) et ses deux fils – et quelques autres non répertoriés ici.

Intervenants et Organisateurs : Pascal FOURNIER, Directeur de l’UTBM, organisateur, Aude PETIT, organisatrice, Responsable des affaires générales et culturelles à l’UTBM ; François LACHAMBRE, professeur de physique au lycée VIETTE, accompagné de 4 lycéens ; Pascal REMOND, Pavillon des Sciences, Nicolas PILLET, Ingénieur au CNES à Toulouse et conférencier.

 

1) La journée commence par une exposition : stands et animation de 14h30 à 17h00

 

·                     1.1) Le Lycée Jules VIETTE à Montbéliard présente les expériences menées en impesanteur en liaison avec le CNES dans un AIRBUS A300

 

Elèves en discussion                                                        Elèves en expérimentation

·                     les élèves de première S du lycée Viette présentent leurs maquettes pour étudier quelques phénomènes physiques en absence de pesanteur :

 

·                     1.2) Le Club d’Astronomie de l’UTBM présente son téléscope et de belles photos des planètes

 

Le stand du club Astronomie de l’UTBM                                Pascal Rémond et Aude Petit, les organisateurs

 

·                     1.3) Le Club Espace de Bourogne  présente les fusées qu’il a lancées. Les plus grandes sont montées à 1500m et ont été récupérées grâce à leur parachute visible dans le compartiment inférieur.

 

 

Quelques fusées présentées                                           Pascal Rémond et Nicolas Pillet du CNES

 

Ce club, réduit actuellement à un effectif de 3 membres, veut relancer son activité de fabrication et lancement de fusées. Avis aux amateurs !

 

 

 

2) La journée se poursuit à 20h00 dans l’amphithéatre P228 par le retour d’expérience sur l’impesanteur

Eliott, lycéen au club scientifique du Lycée VIETTE, présente les 4 expériences envoyées dans l’espace et préparées par lui et ses camarades.

Expérience 1 : mouvement d’un pendule pesant en impesanteur : dès que l’avion passe en dessous du seuil de 0,05g, le pendule se met à tourner à 360 degrés autour de son axe. Au moment de l’obtention d’un g<0, le pendule oscille en haut de son axe – expérience réussie.

Expérience 2 : la pesanteur attire-t-elle toujours vers le bas ? Dans le récipient rempli d’eau qui contient des billes oranges d’une densité > 1 et des billes blanches d’une densité < 1, lorsque la pesanteur existe, ces billes sont séparées : les billes blanches flottent, les billes oranges s’agglutinent au fond du récipient. Lorsque l’avion passe en impesanteur (<0,05g), les billes se mélangent au milieu du récipient, elles perdent leur poids – expérience réussie.

Expérience 3 : Peut-on faire bouillir de l’eau en impesanteur ? Une résistance chauffante est immergée dans un récipient d’eau. En impesanteur, on voit un film de vapeur d’eau se former autour de la résistance chauffante car il n’y a plus de mouvement de convection de la chaleur – expérience réussie.

Expérience 3 b : y a-t-il du tirage en impesanteur ? Un résistance chauffante est alimentée à courant constant : on la voit rougir beaucoup plus en impesanteur, ceci est du à l’absence de courants de convection qui, normalement, la refroidissent. – expérience réussie.

Expérience 4 : peut-on déplacer à distance avec un aimant un métal non magnétique (morceau de cuivre). On veut mettre en évidence la force de Laplace qui existe, même faible, avec des matériaux non - magnétiques. Mais hélas, en impesanteur, le phénomène est parasité par les turbulences de l’avion et le morceau de cuivre est chahuté mais n’est pas attiré par l’aimant. expérience non réussie. Le champ magnétique est trop faible devant les autres forces qui interviennent.

 

Xavier, autre lycéen du même lycée, nous fait part de son expérience de « zéronaute ». C’est lui qui eut la chance de monter dans cet Airbus A300, décollant un beau jour de février 2008 à 9h30 de l’aéroport de Bordeaux Mérignac. On lui a ingurgité une bonne dose de nautamine pour éviter les effets indésirables du « mal de l’air ». L’avion s’est mis rapidement en vol parabolique (incidence de 47 degrés), passant d’une séquence d’accélération à 1,8g puis un passage de 10 mn en impesanteur (moins de 0,05g). Xavier raconte qu’il n’a que 10 mn pour réaliser ses 5 expériences. Il nous fait part de cette étonnante sensation en impesanteur : il flotte dans la cabine, il ne sent plus son corps. Il est persuadé d’avoir été un privilégié (le seul ayant volé parmi son équipe de 12 copains). Il aura aussi enregistré 4 heures de vidéo, excellent souvenir de cette journée.

 

Laura, autre lycéenne confirme que cette expérience scientifique a été complète depuis la conception jusqu’à la réalisation finale. Pour elle, l’expérience lui a fait toucher des domaines très divers de la science : électricité, mécanique, mathématiques (par intégration de relevés d’accélération donnés par l’accéléromètre, on obtient à chaque instant le vecteur vitesse de l’avion). Elle a pu trouver une anomalie entre les mesures réelles de l’altimètre et la simulation mathématique, ce qui a permis de faire une légère correction des engins de vol. Elle a compris « l’effet Marangoni », c’est un phénomène dynamique de physique au cours duquel un gradient de tension interfaciale provoque un mouvement des fluides adjacents et réciproquement.

 

3) Nicolas PILLET termine la soirée par un brillant exposé sur la propulsion spatiale

 

 

Aude PETIT prépare la conférence                                 Un amphi bien rempli et attentif

 

Nicolas PILLET est ingénieur au CNES depuis 15 ans. Il est ingénieur de l’Ecole d’Aéronautique de Poitiers. Au CNES, il est désormais en charge des projets scientifiques avec le monde étudiant. Nicolas commence par remercier les lycéens du Lycée Jules VIETTE. Il montre tout l’intérêt amené par cette collaboration avec ce lycée. Il rappelle que 3 équipes d’étudiants sont sélectionnées chaque année pour un projet lié au vol parabolique. Il appelle l’UTBM à concourir à ces projets.

La propulsion en orbite d’un satellite artificiel : Nicolas prend l’exemple de l’ATV européen « Jules Verne ». L’ATV est une sonde spatiale qui vient de réussir son amarrage à la Station Spatiale Internationale (ISS) à 400 km d’altitude. Le satellite « Jason » fait de l’altimétrie. Les satellites de Télécommunication sont en orbite géostationnaire à 36000 km d’altitude.

La propulsion spatiale est basée sur le principe physique de l’action et de la réaction : il faut éjecter une masse de gaz le plus vite possible pour augmenter la vitesse de DV. Les moteurs de propulsion d’un satellite sont chargés de circulariser l’orbite de celui-ci par une approche de réduction successive elliptique. On parle alors de vaisseau « orbiteur ». Une mission de retour d’échantillons de mars n’est pas encore réalisée, la propulsion consiste alors à faire descendre un « lander » (attérrisseur) pour y faire du carottage au sol.

INTELSAT 10 pèse 5600 kg – dont 2000 kg de carburant chimique et 200 kg de Xénon pour la propulsion électrique. C’est un satellite de Télécommunications navigant sur orbite géostationnaire à 36000 km d’altitude.

SPOT 5 – LEO est un satellite sur orbite basse finale de 832 km, lancé par la fusée ARIANE 4, il permet de faire des photos d’atolls terrestres avec une Haute Résolution Graphique (HGR) de 5 m. Il pèse 3200 kg dont 158 kg de carburant chimique.

SMART 1 – LUNAR PROBE est une petite sonde lunaire de 367 kg dont 10 kg de carburant chimique et 80 kg de Xénon pour la propulsion électrique.

Les propulseurs sont des moteurs placés dans toutes les directions du satellite (selon les 3 axes x, y, z)

Equations de la propulsion : P = mV (P = Poussée – m = masse de débit – V = vitesse d’éjection du gaz)

On définit une impulsion spécifique Isp (en seconde), indicateur de performance, quotient de la force de propulsion par le poids de carburant, c’est le temps qu’il faut (en secondes) pour consommer 1 kg de carburant en poussant de 1 Newton. Isp = F / m.g0.

La perte de masse s’écrit : DM = M0.{ 1 – exp (-DV / g0. Isp } où M0 désigne la masse initiale de la sonde et DM, la consommation de carburant.

A bord d’un satellite, la puissance électrique disponible est d’environ 5 kW.

Les types de propulsion :

0,1
 

1
 

10
 

1000
 

104
 

105
 
 

 

 


Le principe de la propulsion consiste à introduire un fluide dans un propulseur et d’éjecter du gaz chaud. La propulsion transforme de l’énergie (chimique, électrique ou électromagnétique) en énergie cinétique, avec un rendement global : n

 

1) propulsion à gaz froid : on a un réservoir de gaz sous pression (de l’azote comprimée à 200 bars) que l’on évacue dans une tuyère. Ce type de propulsion ne permet que de faibles poussées (10 mN).

Exemples : la propulsion de SMAP1 / GALILEO au gaz butane (université de Surrey)

Le satellite GRACE (radar à basse altitude)

 

2) La propulsion hydrazine : le fluide est du N2H4. On produit des gaz chauds (NH3, H2, N2). On a un seul fluide en décomposition catalytique. Exemples : le satellite SPOT5 qui propulse 1 Newton. PROTEUS et MYRIADE. Ils ont des performances intéressantes mais le fluide hydrazine est toxique et demande de grandes précautions d’utilisation. Le catalyseur est fait par des grains d’alumine poreux Al2O3, avec dépôt d’une phase active d’Iridium. Il faut préchauffer. On décompose ainsi 100 kg d’hydrazine par gramme de catalyseur. Mais cette approche est empirique.

 

3) La propulsion Résistojet et électrothermique : on chauffe le gaz de stockage, ce qui accroît la vitesse d’éjection.

 

4) La propulsion biliquide : il y a deux circuits fluides (un oxydant et un réducteur). On obtient des moteurs de 500 mm qui poussent 500 N et des petits moteurs de contrôle à 20 N. Les matériaux doivent résister à la chaleur. La température atteint 4000 ° K dans la chambre de combustion. Il y a donc nécessité de refroidir les parois. Exemples : le cargot européen ATV qui comporte 26 moteurs de contrôle à 200 N . Le SHUTTLE (navette américaine) qui a des moteurs de 30 kN pour les manœuvres orbitales, de 4 kN pour le contrôle et de 100 N pour l’attitude de rentrée dans l’atmosphère. Cette phase est très critique pour les aéronautes qui subissent alors des poussées de 9g.

Les matériaux pour les chambres et tuyères sont : le nimomic (supporte 1300 °K), le Columbium (1500 °K), le Platinium (SiC composite à 1900 °K et Rhénium 2500 °K avec dépôt d’Iridium).

 

5) La propulsion hybride : On combine un oxydant liquide (H2O2, N20) avec un réducteur (fuel) solide (polyéthylène). On obtient des résultats simples, non - toxiques, et non – pyrotechniques. Exemple : SPACESHIP ONE aux USA.

 

6) La propulsion électrique

4000
 

1000
 

 

La courbe précédente compare la propulsion électrique à la propulsion chimique. Elle montre la masse de proprellant nécessaire pour laisser en orbite un satellite artificiel pendant 15 ans en fonction de l’Isp (en secondes). La courbe montre qu’il faut 1 tonne de carburant chimique pour 200 kg seulement en électrique. La puissance électrique est de 0,1 à 10 kW. Mais la poussée est faible (F < 1 N).

Exemple : ARCJET Le moteur est formé d’une tuyère avec détente d’un jet. L’énergie de base est un arc électrique déchargé entre une cathode et une anode. Le fluide allumé est de l’hydrogène, chauffé puis détendu électriquement.

 

7) La propulsion électromagnétique : consiste en l’ionisation d’un gaz (exemple : de l’Argon) et en la production d’un courant intense dans le plasma. Un champ magnétique induit accélère les ions par force de Lorentz. Exemple : MPD THRUSTER (propulseur). On obtient en sortie un jet de plasma accéléré par effet électromagnétique.

 

8) La propulsion ionique à grille : on crée un plasma Xénon dans la chambre à décharge. On accélère alors le plasma à travers des grilles sous l’effet d’un Champ Electrostatique intense (V = 3000 volt). Le gaz peut partir avec une vitesse de 40 km/s en sortie de la tuyère. Exemple : NSTAR (Nasa/Boring) :

P = 2,5 kW – F = 90 mN – Isp = 3100 s

SONDE DEEP SPACE 1 : sonde envoyée vers une comète lointaine par les américains.

 

9) La propulsion à effet Hall : on crée une décharge de gaz (Xénon) dans le canal central. On soumet ce gaz à un champ magnétique radial et électrique axial générant l’accélération des ions. On produit alors un courant de Hall. On neutralise en aval le jet par un bombardement électronique (pour neutraliser électriquement les ions qui sortent).

Actuellement on passe en moyenne 1 heure par jour de propulsion pour réajuster sur leur orbite les satellites géostationnaires.

Le problème est la durée de vie des moteurs (environ 10000 heures)

Exemples : SNECMA PPS 1350 : P = 1,5 kW – F = 85 mN – Isp = 1700 s –

STENTOR – SMART1 – SPACEBUS – ALPHABUS

 

Le contrôle d’orbite des petits satellites scientifiques : le satellite “MICROSCOPE” (FEEP) pèse 190 kg , il réalise des micropoussées de 10 mN.

Le transfert d’orbite se fait par technologie ionique à grille : USA, Europe, Japon et par Effet Hall en Russie

Les panneaux solaires ont un rendement dans l’espace de 30% (environ deux fois supérieur au rendement au sol). Mais il y a des pertes thermiques sur les capteurs solaires et dans le moteur (qui chauffe).

SMART1 a une propulsion à effet hall en Europe. Cette sonde a été lancée par ARIANE 5 le 27 septembre 2003. On a réalisé le transfert GTO – Lune. Elle totalise 5000 h de fonctionnement de son propulseur PPPS1350. Elle a été placée sur son orbite lunaire depuis janvier 2005 et a été écrasée sur la lune le 3 septembre 2006.

 

Contrôle d’orbite des satellites géostationnaires : 4 propulseurs sont montés sur 2 modules pour un contrôle 2 axes. Il y a des tirs quotidiens. La première application commerciale en Europe fut INTELSAT10 lancé en juin 2004 avec des moteurs russes. Les réservoirs sont sous pression à 20 bars avant l’injecteur, il n’y a pas de pompes (à cause de leur manque de fiabilité). Il est à noter que, ce qui dimensionne un satellite, n’est pas sa vie orbitale mais la poussée énorme qu’il reçoit lors de son lancement.

 

Technologie des réservoirs : les réservoirs de carburant sont en Titane. On utilise des technologies composites drapées (sorte de liner en Kevlar/carbone) pour le stockage Haute Pression. On a ainsi des bouteilles d’Hélium de 100 litres. Les essais et remplissages sont des opérations importantes : on vérifie l’étanchéité des réservoirs, on fait des contrôles fonctionnels lors du remplissage du carburant.

Nicolas passe alors un film sur le remplissage dans lequel nous voyons les opérateurs opérer sous scaphandre avec air ventilé. Les liquides en micro-gravité posent problème (voir la séquence du whisky du Capitaine Haddock). Deux technologies sont utilisées :

1)      on place une membrane entre le gaz et le liquide (réservoir à membrane)

2)      on utilise la capillarité (réservoirs à tension de surface). Des crépines placées dans le réservoir : l’une d’elles est toujours mouilée par le liquide (Ex : SPOT Type SNECMA). On utilise aussi le procédé éponge avec des alvéoles en nid d’abeilles (qui crée une tension de surface).

 

Fin de vie des satellites : le contrat du CNES est clair : il faut gérer les restes d’ergols. Le problème est de connaître avec précision la quantité de liquide restant dans les réservoirs lorsque le satellite atteint la fin de sa mission. IL y a obligation de déorbiter alors le satellite (on le place sur une orbite à + 300 km dans le cas des satellites de télécommunication ou on le fait brûler par retour dans l’atmosphère pour les satellites sous faible altitude). Il y a nécessité de libérer l’orbite lorsque la mission du satellite est terminée. Il existe des effets de jet  les tuyères sont très écartées :  les jets lèchent les surfaces adjacentes. On simule les comportements par modellisation.

 

En conclusion : le graphique ci-dessous montre la complexité des missions en fonction de la distance de la planète au soleil (en Unités Astronomiques UA)

 

 

 

0,1 UA
 

1 UA

(La terre)
 

Saturne
 

100 UA
 
 

 

 


La soirée s’est terminée vers 22h30 par un « pot de l’amitié » préparé par l’UTBM et une démonstration sur les maquettes des lycéens du Lycée VIETTE.

 

 

 

 

Rédacteur : Jean-Pierre BULLIARD

Président de l’URIS de Franche-Comté

Président des Ingénieurs INSA de Franche-Comté

Pour le compte du Pavillon des Sciences