Retour et atterrissage

Phases de l'atterrissage

Pour le 1er étage :

1) Activation des propulseurs de gaz à froid pour retourner la fusée

2) Activation des "boostblack burn" (moteurs) pour orienter la fusée

3) Rétropropulsion des moteurs Merlin pour freiner la chute de la fusée (dans l'atmosphère)

4) Déploiement des "grind fins" (nageoires) pour maitriser la trajectoire de la fusée afin qu'elle arrive perpendiculairement à la plateforme

5) Rétropropulsion (dernière) des moteurs pour freiner la vitesse de chute de la fusée

6) Déploiement des trains d'atterrissage (à 15m)

7) Atterrissage

les modes d'atterrissage

1) Amerrissage par parachute en mer (2 échecs).

2) Amerrissage dans l'océan (1 échec et 3 succès).

3) Atterrissage au sol (2 succès).

4) Atterrissage sur une barge en mer (5 échecs et 5 succès).

Barge d'atterrissage de Falcon 9 (lieu de nombreux atterrissages de la fusée). La barge en mer pour l'atterrissage est la plus économique (la fusée n'a pas besoin de modifier sa trajectoire, elle se laisse tomber en ligne droite) et les risques sont moindre.

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tests, échecs et réussites

Comme dans tout projet certains atterrissages ont réussi d'autres ont échoué. Après quatre échecs (un sur la terre ferme), SpaceX est parvenue à récupérer le premier étage de son lanceur Falcon 9 lors d'un atterrissage au sol à Cap Canaveral le 22/12/2015, après une livraison destinée à la Station spatiale internationale (mission Iridium-1).

Pour sa fusée réutilisable, SpaceX a réalisé de nombreux tests sur ses 3 véhicules tests, et aussi pour sa capsule Dragon avec comme véhicule test “ DragonFly”. L'entreprise a expliqué avoir réalisé trois types de

tests pour sa fusée : basse altitude (< à 760m, faible vitesse, un seul moteur, 8 tests réalisés), altitude intermédiaire ( < à 3000m, faible vitesse, trains d'atterrissage extensibles) et haute altitude.

Après le troisième test contrôlé de descente à haute altitude, et le troisième vol à basse altitude du prototype (et 8 vols du prototype Grasshooper), la fusée de l'entreprise SpaceX peut « revenir de l’espace à vitesse hypersonique, redémarrer les moteurs à deux reprises, déployer les trains d’atterrissages et toucher le sol à une vitesse quasi nulle. »

DES NOUVELLES TECHNOLOGIES

Plusieurs technologies ont été développées et testées pour faciliter le lancement, le vol et l’atterrissage des étages.

Et certaines d'entre elles sont toujours en amélioration :

un système d’allumage redémarrable pour booster le premier étage de la fusée ainsi que les propulseurs d'appoint.

Des redémarrages sont requis dans la phase de descente, à très haute vitesse (supersonique) dans la haute atmosphère pour ralentir la chute de la fusée et mettre la fusée dans la trajectoire de la plateforme; mais aussi

à haute vitesse (transsonique) dans la basse atmosphère, pour freiner la fusée proche de l’atmosphère et

réaliser un atterrissage calme.

les nageoires (grid fins) pour contrôler le vecteur « lift » (une fois que la fusée est entrée dans l’atmosphère) et réaliser un atterrissage de précision. Elle résistent à la chaleur et permettent de maitriser la trajectoire de la fusée dans l’atmosphère (utilisées pour la première fois sur un véhicule test de la fusée et le 22/12/2015, elles ont contribué à la première réussite de l’atterrissage de Falcon 9).
un système pour éviter la précession (déstabilisation de la fusée, elle tremble) nommé "Roll control authority".
un système de guidage (terminal guidance), incluant un véhicule de contrôle et un logiciel permettant de faire atterrir la fusée avec un rapport poussée/poids supérieur à 1 (un rapport supérieur à 1 signifie que l'engin est capable d'accélérer sur une trajectoire verticale ascendante).
des capteurs de navigation pour un atterrissage de précision.
une large surface assurant une protection thermique, absorbant la chaleur générée pendant la phase de décélération du second étage, de la vitesse orbitale à la vitesse finale.
une masse légère
des trains d’atterrissage pour le premier étage. Ces derniers sont faits de fibres de carbone/aluminium,

et fonctionnent comme un bras télescopique. Le système de déploiement utilise de

l’hélium à haute pression pour fonctionner.

une grande plateforme d’atterrissage en mer automatisée, pour gérer la phase d’atterrissage et post-atterrissage de la fusée.

contraintes d'atterrissage

Lors du vol et de l'atterrissage, il y a de nombreux éléments à tenir en compte, qui peuvent être causes d'échecs, tels que :

les forces exercées sur la fusée
les conditions météorologiques (responsables de certains échecs)
la surface de sustentation

LES FORCES

Il existe 3 principales forces (en Newton) prises en compte pour une fusée :

le poids P
la poussée F
la trainée aérodynamique T

L’évolution de ces trois forces va régir le comportement de la fusée :

- le mouvement de la fusée autour de son Centre de Masse va définir sa stabilité.

- le mouvement du Centre de Masse de la fusée dans l'espace va définir sa trajectoire.

Il y a deux phases principales lors du retour du 1er étage :

1) La fusée se laisse tomber (accélération)

2) Activation des moteurs pour réduire vitesse

On se demande donc comment agissent les forces exercées sur la fusée.

Lors de la phase atterrissage avec les moteurs activés, le poids doit être (légèrement) supérieur à somme de la poussée et de la trainée aérodynamique pour contrôler la vitesse de chute et atterrir à vitesse quasiment nulle.

On admet l'hypothèse que dans les 50 dernières secondes de la chute, le mouvement est un Mouvement de Translation Uniformément Décéléré = MTRUD (la chute étant rectiligne) : Nous allons prendre 2 cas :

Les causes d'échecs

1) Les conditions météorologiques :

2) Les défaillances techniques et technologiques :

On doit impérativement en tenir compte lors de l’atterrissage (et pendant le vol) car elles sont capitales et peuvent décider de la réussite de l’atterrissage. Il y a eu plusieurs échecs dus à ces conditions :

Le 11/02/2015 (atterrissage pas tenté à cause du vent et mauvais temps)
Le 17/01/2016 (probablement à cause de l'accumulation de glace, provoquée par la formation d'humidité lors du brouillard pendant le démarrage)

De mauvais calculs ou simple problèmes techniques peuvent être sources d’échecs :

Vitesse trop importante (15/06/2016).
Problème avec le verrouillage d’un des trains d’atterrissage (17/01/2016).
Épuisement des réserves de fluide hydraulique des stabilisateurs aérodynamiques. Donc l’étage s'est présenté par le travers du pont d'atterrissage avec une inclinaison d'environ 45 degrés par rapport à la verticale (10/01/2015).

L’angle d’inclinaison lors du contact avec le sol vu précédemment est très important. C’est à ce moment là qu’intervient la notion de surface de sustentation : c’est la surface sur laquelle la projection orthogonale du centre de gravité d'un solide sur le sol, ou sur un support, doit se trouver pour garantir l'équilibre. Donc pour que la fusée reste debout il faut qu’elle arrive perpendiculairement au sol afin d’avoir son centre de gravité dans son axe (vertical) et trouver l’équilibre (sans cela, la fusée tombe).

Cas 1

On considère :

X(7,17) = 24,2 km (activation moteurs) qui est l'altitude de la fusée à 7minutes et 17 secondes.
V(7,17) = 756 m/s qui est la vitesse de la fusée à 7minutes et 17 secondes.
m = 420*10 kg qui est la masse du 1er étage
Fp est la poussée de la fusée.
FT est la trainée aérodynamique de la fusée.

Calculs :

g=9,8*[(6370*10 )²/(6370*10 +24200)²] = 9,726 N/kg

P = m.g = 420*10 *9,726 = 4 084 903 N = 4 085 kN

On admet que Cx de la fusée est celle d’une sphère, donc Cx = 0,45

S = π.r² = π*1,85² = 10,75 m²

pair = 0,08 kg/m qui est la masse volumique de l'air à 24,2 km d'altitude.

FT = 0,5*pair*S*V²*Cx = 0,5*0,08*10,75*756²*0,45= 1,11*10 N

Donc P > Fp + FT soit 4 084 903 > Fp + 1,11*10

Fp < 3,97*10 N

Donc la poussée doit rester inférieure à 3,97*10 N pour que la fusée continue à chuter.

3

5

3

5

6

3 Vidéo de simulation de Falcon 9 par l'entreprise du lancement, de la mise en orbite de l'atterrissage. Elle modélise le schéma de la trajectoire de la fusée vu sur l'onglet "Lancement et mise en orbite" : http://media2.s-nbcnews.com/i/newscms/2014_51/812491/141217-launchprofile_f4fcb1ed474952c078a75c07a96cae6f.jpg

Voici une modélisation de la trajectoire de Falcon 9 lors de la mission CRS-9 (vous trouverez le lien de la vidéo dont elle provient un peu plus bas).

1 : Etage 1

2 : Etage 2 (+ charge utile)

cas 2

On considère :

X(7,55) = 3 km

V(7,55) = 278 m/s

m = 420*10 kg (mêmes conditions que pour le cas 1) Fp est la poussée

Calculs :

g = 9,8*[(6370*10 )²/(6370*10 +3000)²] = 9,791 N/kg

P = m.g = 420*10 *9,791 = 4 112 126 N = 4 112 kN

On admet que Cx de la fusée est celle d’une sphère, donc Cx = 0.45

S = π.r² = π.1,85² = 10,75 m²

pair = 0,9 kg/m

FT = 0,5*pair*S*V²*Cx = 0,5*0,9*10,75*278²*0,45 = 1,682*10 N

Donc P > Fp + FT soit 4 112 126 > Fp +1,682*10

Fp < 3,94*10 N Donc la poussée doit rester inférieure à 3,94*10 N pour que la fusée continue à chuter.

3

5

6

position, vitesse et accélération dans les 44 dernières secondes

Altitude en m :

Vitesse en m/s :

Décélération en m/s² :

Nous avons admis l'hypothèse d'un mouvement MTRUD. On remarque que la vitesse varie proportionnellement en fonction du temps.

Les 3 grandeurs mesurées varient en fonction du temps. Ici l'échelle du temps est fausse : 1 carreau = 2 secondes

On remarque que les valeurs de poussée sont similaires. Ici se sont les valeurs maximales (on ne pouvait pas calculer les valeurs exactes à un instant t à cause d'un manque de données techniques). On peut seulement comparer ces valeurs avec la puissance connue d'un moteur (voir vidéo des moteurs) qui est de 716 kN par moteur (soit 6444 kN pour les 9).

Les 2 cas nous ont permis de connaître la poussée maximale que pouvait atteindre la fusée avant de ne plus chuter mais remonter. On peut donc émettre comme hypothèse que la poussée dans le cas 1 devait être bien inférieure à la valeur obtenue, donc avec la somme poussée/trainée largement inférieure au poids (car la fusée a une grande vitesse). Alors que celle dans le cas 2 devait un peu plus s'en rapprocher (vitesse beaucoup plus faible). Et on devrait avoir au moment de l'atterrissage un poids quasiment égal à la somme.

Les valeurs obtenues sont approximatives car :

- nous prenons la masse du 1er étage avec la même quantité de carburant tout au long.

- nous avons considéré que le mouvement était rectiligne et uniformément décéléré (pas exact).

- nous avons considéré que le coefficient aérodynamique de la fusée était celui d'une sphère.

- nous avons pris les valeurs d'une mission (pas des valeurs générales).

Voici le lien de la vidéo (mission CRS-9 ) qui nous a permis de faire les calculs et de tracer les graphes : https://www.youtube.com/watch?v=NT50R2dLht8