Une fois que notre avion a réussi à s’élever dans les airs, il faut lui permettre d’aller dans l’espace. Cependant, aucun avion de ligne (ni même le Concorde) n’a les capacités motrices et physiques d’acquérir une telle attitude pour se soustraire suffisamment aux forces de frottement. En effet, les frottements sont dûs à l’atmosphère.
II. Le vol de l'avion dans l'espace
Définition de l'atmosphère
L’atmosphère est une enveloppe gazeuse enveloppant des astres. Sur Terre, l’atmosphère est composée de 78,087 % de diazote, 20,95 % de dioxygène, 0,93 % d'argon, 0,04 % de dioxyde de carbone, ainsi que d'autres gaz. On ne peut pas parler de réelle frontière entre l’atmosphère et l’espace. En effet, l’atmosphère est de moins en moins dense au fur et à mesure que l’on prend de la hauteur et s’évanouit peu à peu.
La ligne de Karman, située à 100 km d’altitude, désigne arbitrairement la frontière entre l’atmosphère et l’espace. Cependant, lors de la rentrée dans l’atmosphère, les effets atmosphériques deviennent notables à partir de 120 km d’altitude.La dernière couche de l’atmosphère, que nous souhaitons atteindre (car elle est la moins dense) est la thermosphère. Elle se caractérise par une pression très faible et une température très élevée, variant selon l’activité solaire.
Schéma de l'altitude de l'espace
Ainsi, les caractéristiques de la thermosphère engendrent de nouveaux problèmes à résoudre. Nous devons vérifier si les moyens de pressurisation du Concorde sont assez compétents pour permettre à l’homme de respirer dans l’espace et si les matériaux sont assez solides pour résister à la différence de pression entre l’avion et l’espace, ainsi qu’à la température très élevée de cette dernière couche de l’atmosphère. De plus, l’avion utilisant le support de l’air pour se déplacer, nous devons trouver de nouveaux moyens pour se déplacer sans air et organiser notre voyage dans l'espace, en prenant en compte la vitesse et la trajectoire à aborder (mêlant l'optimisation du temps de parcours et le confort des passagers).
Comment se diriger dans l'espace?
Lorsque que tout humain se déplace, il prend appui sur le sol, tout comme l’oiseau sur l'air ou encore le rameur sur l‘eau. Mais dans notre cas, comment se déplacer sans aucun support : une fois entré dans l’espace l’avion n’a plus assez d'air sur lequel se reposer. Nous avons découvert que le scientifique russe Konstantin Tsioltovski s’est penché sur cette question vers la fin du XIXème siècle afin de répondre à la question de l’arrachement de l’attraction terrestre. Il aboutit à un processus de moteur-fusée encore aujourd’hui utilisé comme pour le fonctionnement du moteur de la fusée Ariane 5.
Ce principe s’appuie sur la troisième règle de Newton énoncée décrivant le principe d’action réaction selon lequel à toute action correspond une réaction égale de sens opposé. Concrètement, la fusée éjecte un gaz vers l’arrière et se propulse, grâce à la réaction, vers l’avant. Le mouvement de la masse totale de gaz vers l’arrière s’oppose au mouvement de la fusée vers l’avant. Ainsi notre avion fonctionne parfaitement dans le vide, sans appui sur une quelconque masse ou support extérieur.
Schéma de l'action réaction
Selon Newton:
Plus le débit est important, plus la propulsion de l’avion est forte et plus la vitesse d'éjection est élevée. Cette force délivrée par un moteur-fusée est appelée la poussée d’une fusée:
F = q.Ve
Avec:
q : débit massique des gaz propulsifs en kilogrammes par seconde.
Ve : vitesse d’éjection des gaz en mètres par seconde.
Cette force F s’exprime en newtons (N) ou en kilonewtons (kN).
Le moteur fusée emploi emploie les ergols liquides tels que l’hydrogène et l’oxygène au lieu d’ergols solides (en poudre). Le combustible et le comburant sont placés dans deux espaces de stockage séparés par une tuyère, à l’état liquide et à une pression basse. Dès l’allumage du moteur, la pression et la température augmentent dans les compartiments et le passage par la tuyère permet de convertir les gaz d’une énergie thermique à cinétique. Le moteur-fusée à ergols permet de mieux contrôler les déplacement de l’avion en influant sur la poussée c’est-à-dire la quantité de gaz éjectée.
De plus, l’espace étant constitué de vide, la force nécessaire pour orienter l’avion est minime, et la puissance dégagée est suffisante pour obtenir la vitesse d'ascension prévue.
Comment respirer dans l'avion?
Chaque avion possède un système permettant aux passagers de respirer. En effet, plus l’altitude est élevée, plus la pression de l’air est faible et plus il est difficile de respirer.
Ainsi, les avions possèdent des circuits de traitement de l’air permettant de le capter par les compresseurs des réacteurs, de le pressuriser pour lui donner une pression acceptable par l’organisme humain et de le réchauffer (la température en altitude est basse, elle atteint -20°c lors d’un vol courant). Concrètement, des vannes vont laisser entrer plus d’air qu’elles n’en laissent sortir, dans le but de "gonfler" l’appareil pour qu’il atteigne une pressurisation proche de celle au sol.
Ainsi, dans un avion classique, ce système permet de respirer correctement, l’air étant ‘traité’ de manière à être consommable.
Schéma de l'apport d'air dans un avion
Cependant, l’espace est composé de vide, il est donc difficilement envisageable de comprimer le vide pour en faire de l’air respirable. De plus, les températures varient selon des extrêmes, pouvant être considérablement basses comme hautes (entre -150 et 150°C).
Par conséquent, nous nous sommes intéressés à la manière dont les astronautes respiraient dans les bases spatiales ou dans les fusées. Ne pouvant pas utiliser l’air extérieur, les astronautes sont à même de respirer grâce à des réserves d’oxygène très fortement compressé, dans le but de prendre le moins de place possible. Le CO2 alors produit est éliminé par des filtres à charbon actif ou à hydroxyde de lithium (qui réagit avec le dioxyde de carbone).
Une autre solution serait d’utiliser des masques à oxygène. Cependant, ces derniers ne permettent pas de confort au passager, et exigeraient un équipement individuel.
Forme des hublots
La forme des hublots d’un avion ou d’une fusée est entièrement corrélée avec le principe de pressurisation. En effet, la différence de pression entre la cabine et l’extérieur entraîne une fragilité des "parois" de l’appareil due aux forces exercées dessus. Dans un hublot carré, les parties les plus fragiles sont les coins. Ainsi, la solution la plus évidente est de les éliminer, et de créer des hublots ronds, par conséquence plus résistant.
Avion non pressurisé à hublots rectangulaires au premier plan (DC3) et avion pressurisé à hublots ronds à l’arrière plan (A320)
Le carburant
Le vaisseau doit atteindre une vitesse suffisante afin de passer dans l'espace (100 km d’altitude). Or, les seuls moteurs capables de propulser le vaisseau à cette vitesse sont les moteurs fusées. Afin de calculer les quantités de carburant nécessaire à leur bon fonctionnement, il nous faut la masse totale du vaisseau (carburant compris). Il s'agit alors de calculs complexes, généralement fait par un ordinateur. Nous savons qu’ils prennent en compte la masse de carburant, la masse totale de l'aéronef, ainsi que son accélération.
La vitesse du Concorde lors du vol spacial
La vitesse de libération (piste abandonnée)
Avant de débuter nos recherches, nous pensions que lors d’un vol en apesanteur, les corps n’étaient plus soumis à l’attraction terrestre. Nous avions appuyé cet argument avec le fait que les objets semblent léviter dans une navette spatiale, sans point d’accroche. La vitesse de libération ou d’évasion est la vitesse qui permettra à un corps d’échapper à l’attraction gravitationnelle d’un autre corps, comme nous le souhaitions. Nous pensions qu’il était ainsi nécessaire d’atteindre la vitesse de libération, pour que l’avion ne “retombe” pas sur Terre après être entré dans l’espace. La vitesse de libération dépend de la masse et du rayon de l’astre. Plus l’astre est petit (donc plus son rayon est petit) plus la vitesse de libération est faible et plus sa masse est élevée plus sa vitesse de libération est élevée. Nous l'avons calculée à partir de la formule suivante :
Avec :
v la vitesse en m/s
G la constante gravitationnelle universelle
M la masse de l’astre en Kg
R le rayon de l’astre en m
En appliquant la formule à nos valeurs, on obtient la vitesse impressionante de 11,2 km/s.
Après avoir fait les calculs, nous nous sommes aperçus que la vitesse à aborder était bien supérieure à nos attentes.
Quelle vitesse faut-il alors réellement adopter pour se rendre dans l'espace ?
Finalement, nous nous sommes aperçu, en étudiant le cas de la station spatiale internationale, que l’entrée dans l’espace ne s’accompagnait pas forcement d’une libération de la gravité terrestre. En effet, la SSI est en orbite spatial, et doit gérer le phénomène d'apesanteur sans être libéré de l’attraction terrestre. Nous avons alors pensé à une mise en orbite autour de la Terre, car elle ne nécessitait pas d’atteindre une vitesse de libération. Cependant, pour notre avion spatial, nous ne souhaitons pas forcément être en orbite, mais voler assez haut pour échapper aux forces de frottement de l’air.
Par conséquent, notre cas est différent de celui de la SSI, car nous souhaitons seulement nous déplacer dans l’espace pour une courte durée, et non pas y rester.
Ce type de vol est appelé"‘vol suborbital" et peut être effectué sans que l’avion n’ait à atteindre la vitesse de satellisation.
Deux forces sont alors à étudier : la force gravitationnelle qui va "ramener" l’avion sur Terre, et la force centrifuge qui l’éloignera de la planète. Souhaitant effectuer un vol suborbital, et atterrir après peu de temps, la force gravitationnelle devra être légèrement inférieure à la force centrifuge.
Nous pouvons alors établir l’inéquation suivante :
avec:
M les différentes masses (en kg),
v la vitesse de l’avion (en m.s-1),
G la constante gravitationnelle (SI)
r le rayon de courbure (et la distance entre la terre et l’avion) en m.
On peut alors appliquer notre formule aux valeurs que nous possédons.
La constance gravitationnelle à une valeur de G=6,67 x 10-11 SI, la masse Mterre est de 5,97 x 1024 kg, et la distance entre la terre et l’avion correspond au rayon de la Terre additionné à l’altitude de notre vol, soit 6378+101 = 6479 km ou 6,479 x 106 m. On peut ainsi définir la vitesse d’ascension de notre vol spatial comme étant :
Par conséquent, notre vitesse doit être inférieure à la vitesse de mise en orbite, soit à 7,839.10^3 m/s.
De plus, à 100km d’altitude, les forces de frottement sont très fortement diminuées, mais pas inexistantes, ce qui ralentira l’avion. Ainsi, si nous volons à une vitesse de 7,839.10^3 m/s environ, la vitesse sera assez faible pour ne pas se mettre sur orbite, et assez élevée pour que l’avion ne retombe pas trop rapidement sur Terre. Notre objectif est donc que notre vaisseau atteigne cette même vitesse.
Confort des passagers
Lors de la montée vers l’atmosphère, l’avion se redressera. La position assise actuelle dans les avions de ligne sera donc inconfortable pour les passagers. D’après un prototype d’avion spatiale d’Astrium, nous avons décider d'utiliser des siège mobiles plus allongés, placés perpendiculairement à l’axe de l’avion. La mobilité des sièges leurs permettra d’épouser les déplacements de l’avion et ainsi conserver une position confortable semblable à celle d’un vol classique.
Prototype d'Atsrium
De plus, l'avion va fortement accélérer et donc les passagers font subir des G, mais qu'est ce qu'un G?
Un G correspond à la valeur d’accélération que la Terre provoque sur les objets qu'elle attire à sa surface (gravité). Cette accélération est de 9,8m/s2 sur Terre. La formule pour relier la vitesse et l’accélération est:
Pour les calculs, nous avons décidé de partir de la vitesse et l’altitude de croisière du Concorde (que nous avons donné dans la première partie). La vitesse de vol est celle calculée pour atteindre le vol suborbital à 100Km.
Lors de l’accélération, l’avion ne sera pas en position verticale. Pour pouvoir calculer le temps d’accélération nous avons choisi de prendre un angle de montée de 15°.
Calcul de d:
Calcul de t:
Calcul de a:
Calcul de G:
Donc, avec un angle d’incidence de 15°, les passagers subissent 18 G pendant 40 s. Ce qui est correct mais il faut quand même les protéger.
Il sera donc important de vérifier l’accélération de notre avion et son angle de montée lors de son ascension pour contrôler le nombre de G qui s’exerce sur le corps de nos passagers. En effet le corps humain a des limites et cela serait dommage de perdre des passagers en vols.
Tableau des G que peut supporter un humain en fonction du temps. En vert ceux qui s'exercent pendant la montée et en blanc pendant la descente.
Pour augmenter la résistance du corps humain face aux G nous avons décidé de les équiper d'une combinaison.
Une combinaison anti-g est composée de plusieurs poches appelées « vessie ». Elles sont situées: une dans le bas ventre, deux au niveau des cuisses et des jambes soit 5 au total. Elles sont reliées entre elles mais aussi à une valve anti-g que l’on situera sous les sièges passagers.
Cette valve permet de calculer la quantité de gaz à transmettre en fonction de la prise de G indiquée par l’accéléromètre qu’elle contient. Ces gaz sont acheminés par un conduit.
Schéma de fonctionnement d'une combinaison Anti-G.
1 : Valve Anti-G
2 : Bouteille d’oxygène en cas d’accidents.
3 : Combinaison Anti-G et masque à oxygène
