III. La descente de l'avion
La descente de l'avion est une étape délicate du vol. Ayant envoyé notre avion à plus de 100km d'altitude, il doit faire face à un problème supplémentaire, par rapport à un avion classique. En effet, notre Concorde doit rentrer dans l'atmosphère terrestre, après avoir voyagé dans l'espace.
De plus, cette étape est aussi composée de l'atterrissage. Il a fallu trouver un moyen de diminuer l’énergie actuelle, engendrée au court du vol par la vitesse supersonique acquise.
L'objectif principal de la descente de l'avion est de réduire la vitesse de l'avion
La rentrée dans l'atmosphère terrestre
Lors de la rentrée dans l'atmosphère, notre avion possède une vitesse très importante. La difficulté de cette étape est qu'elle engendre un phénomène d'emballement. En effet, plus l'avion perd de l'altitude, plus l'atmophère est dense et le freine. Par conséquent, l'appareil s'éloigne de sa vitesse de vol et la force centrifuge énoncée précedemment ne compense plus la force gravitationnelle. L'avoin chute de plus en plus vite et le phénomène s'emballe.
Lorsque notre avion est en vol suborbital autour de la Terre, sa vitesse de rentrée est d'environ 7000 m/s. Cette vitesse doit être réduite à moins de 100 m/s avant l'atterrissage.
Il est impossible d’utiliser les moteurs fusées (inverseur de poussée) pour ralentir car la quantité de carburant à transporter serait trop importante et le risque trop élevé pour une étape aussi délicate.
Nous avons ainsi utilisé divers moyens dans l'optique de faire décélérer notre Concorde.
Le bouclier thermique
Lors de l’entrée dans l’atmosphère, l'avion ralentit et l’énergie cinétique due à la vitesse de l’avion est convertie en énergie thermique par le changement à l’état de plasma des molécules d’air.
Ce phénomène est dû à la compression des molécules d'air sous l'avion et à leur échauffement. Cela produit une énergie thermique intense le long des parois de l’avion : une bulle de chaleur se crée ainsi. Cette énergie est accompagnée d’une conductivité électrique importante rendant délicate toutes déviations apportées au trajet de l’avion.
Pour palier à cette chaleur très importante, des boucliers thermiques sont couramment utilisés pour les fusées.
Description du bouclier :
Un bouclier thermique permet de protéger l'avion des radiations, des rayonnements solaires, des micrométéorites, des écarts de température pendant le voyage spatial, et principalement de la chaleur intense dûe au frottement sur les différentes couches atmosphériques de la terre lors de la phase de rentrée dans l'atmosphère.
Différents critères sont requis pour le bouclier thermique, solidité des plaques, faible poids, résistances à de haut gradients de température, conductibilité thermique faible, etc.
Composition du bouclier :
Le bouclier est constitué de nombreuses tuiles disposées sur une sorte de couverture extérieure en tissu de 0.3 mm d'épaisseur, laquelle est aussi collée au fuselage. Cette couche de tissu sert d’isolant thermique et permet de conserver une température convenable à l’intérieure de l’avion.
Ces tuiles peuvent être de matériaux différents en fonction de l’endroit où elles sont placées sur l’avion car la chaleur reçue n’est pas la même partout. En effet, elle est plus importante sur le nez et les bords d’attaque de l’avion.
Schéma des différentes températures qui s'exercent sur la navette.
Pour plus de simplicité nous avons choisi de disposer les mêmes tuiles sur l'ensemble de l'avion.
Il faut utiliser un matériau constitué de fibre (le rayonnement thermique peut être fortement affaibli par l'utilisation de fibres de 1.5-2 microns) et très résistant à la chaleur. Il est donc nécessaire d’utiliser des matières composées de peu d'éléments chimiques différents, appelées 'pures' (qui offrent une plus haute résistance aux charges thermiques).
Tuiles de carbone (noires)
Exemple de fibres
Le carbone est celui que nous avons choisit car il peut résister à des températures atteignant les 1650°C. Il faut qu’il soit le plus dense possible.
Pour créer les tuiles de fibres de carbone, il faut tout d’abord tresser plusieurs couches de tissus en orientant les fibres de carbone dans différentes directions pour limiter les espaces. Ces tissus sont ensuite passés dans un four projetant du propane qui se craque (Le craquage catalytique est un craquage dans lequel les grosses molécules d'alcanes se brisent lorsqu'elles sont portées à 500 °C environ, le propane se craque en propène et en dihydrogène ) et les éléments carbone se déposent sur les couches de fibres créées, comblant ainsi les petits vides. Les tissus, jusqu’à lors mous, se solidifient dans la forme qu'on leur a donné.
Dans les zones où la température n'excède pas 370°C le bouclier est fait à base de composés organiques. (plaques blanches)
Exemple de bouclier thermique de IXV. Elle est revenue de l'espace et son bouclier thermique à tenu
L'angle d'entrée atmosphérique :
L’angle d’entrée atmosphérique est une donnée extrêmement importante. Il doit être mesuré avec une très grande précision. En effet, cet angle est un élément décisif sur l'avenir de notre avion spatial lors de son entrée dans l'atmosphère. C'est pour cette raison qu'il doit être calculé et recalculé en permanence par des ordinateurs se trouvant à bord du vaisseau ou au sol.
Si l'angle est trop obtu (par rapport à la normale perpendiculaire à la surface de l'atmosphère), l’avion rebondira sur la couche supérieure de l’atmosphère, tel un ricochet. Notre Concorde se perdra alors dans l'espace sans retourner sur le sol ferme de la Terre.
Si l'angle est trop aigu, la vitesse ne sera pas assez réduite. Elle augmentera à cause de l'effet de la pesanteur terrestre. Le bouclier ne pourra alors pas contrer la totalité des excédents de chaleur et notre appareil brulera tel une météoroïde.
L'atterrissage :
Après l'entrée dans l'atmosphère, notre avion a ralenti de manière considérable, notamment grâce aux frottements de l'air. Cependant, il est peu probable que sa vitesse soit optimale pour permettre un atterissage correct. C'est pour cette raison que notre avion est équipé de parachutes de freinage.
L'utilisation des parachutes de freinage :
Pourquoi : L’utilisation de parachute de freinage à l’atterrissage permet le ralentissement de l’avion sur la piste d’atterrissage. Cela peut aussi soulager le système de freinage des roues (jusqu'à 50 t) et réduire la distance d’arrêt de 500m. Sa vitesse à l'atterrissage est de 360km/h.
Fonctionnement : Le parachute, situé dans une case sous la queue de l’avion, doit être déployé entre le moment où l’avion touche le sol avec ses trains arrières et le moment où il commence à s’abaisser pour aller faire toucher le train avant. Il est composé de deux parachutes : un petit "pilote", servant à amortir le déploiement du parachute principal.
Chronologie de déploiement:
T : la porte des parachutes est éjectée et un petit parachute "pilote" sort.
T + 1,60 s : le petit parachute se décroche, et se déploie.
T + 2 s : le parachute pilote est gonflé. Il tire le parachute principal de la case.
T + 2,5 s : le parachute principal sort, tandis que le parachute pilote est largué. Le parachute principal n'est ouvert qu'à 40 % (pour éviter qu’il se brise ou s’arrache) et la navette est encore sur son train arrière.
T + 6,3 s : le train avant touche le sol, le parachute est ouvert à fond et tenu par des fils de suspension, eux même reliés à un câble principal.
Lorsque l’avion arrive à une vitesse raisonnable pour freiner, le parachute est éjecté.
Grâce à ce système de parachute de freinage, notre Concorde optimisé peut atterrir tout en ayant une vitesse raisonnable.
Exemple de navette lors du largage du parachute. (L'orbiter à gauche et le Buranne au dessus)
