Tout d'abord, qu'entendons nous par navette spatiale? Il s'agit de concevoir un engin qui décolle verticalement et dont le but est de revenir sur Kerbin à la manière d'un avion. Seuls des booster à poudre et des réservoirs de propergol (ainsi que leur structure d'attache) sont autorisés à se détacher du vaisseau spatial sans revenir proprement sur Kerbin.
Les moteurs principaux permettant la propulsion verticale de l'engin doivent être intégrés à l'appareil revenant sur Kerbin. Il devra aussi intégrer une motorisation atmosphérique afin de revenir facilement se poser au Kerbal Space Center.
Les difficultés
L'ensemble doit être pensé comme un avion et doit être assemblé au maximum dans le hangar adéquat puis exporté comme sous-ensemble dans le hangar des fusées.
Nous savons que la différence principale entre les deux hangar se situe au niveau du type de symétrie. La fusée a une symétrie axiale, tandis qu'un avion possèdera une symétrie selon un plan.
En plaçant l'avion verticalement, la première difficulté que l'on rencontre est un problème de disymétrie, puisqu'à l'inverse des fusées conventionnelles, certains moteurs ou réservoirs risquent de ne pas former une géométrie de type axiale.
L'exemple des vols STS américains
Prenons l'exemple de la navette spatiale américaine. Voici une vidéo du vol STS 129 de la navette Atlantis. Ce vol avait pour but d'envoyer 15t de matériel sur l'ISS et de ramener un astronaute en vol sur la station depuis 2 mois.
Le compte à rebourt final (t-10s) démarre à 1:25. La séquence que je décris se déroule rapidement sur la vidéo, de 1:29 (t-6s) à 1:52 (t+17s).
à 1:29 (t-6s) les moteurs de la navette sont allumés.
Vers 1:30 (t-5s) , alors que les moteurs ateignent leur pleine puissance on peut voir que la navette semble se soulever légèrement. L'ensemble est en effet posé sur les booster, la distance séparant l'axe formé par les deux appuis et les moteurs allumés créé un moment de force faisant basculer légèrement la navette vers l'avant.
A 1:33 (t-2s) la caméra revient à un plan large de profil. En observant attentivement on peut voir que la navette a un mouvement de balancier qui la fait revenir droit sur ses appuis, à environ 1:35. C'est à ce moment précis, lorsque l'axe de la fusée est vertical, que les boosters sont mis à feu et que la navette décolle.
De 1:35 à 1:40 (t=0 à t+5s) , le plan nous montre la fusée de profil parcourant les 300 premiers mètres de son ascencion. On voit clairement que la fusée a un mouvement de translation léger vers la droite (vers le "ventre" de la navette). Les moteurs de la navette sont en effet orientés avec un certain angle par rapport au réservoir central, alors que les boosters sont orientés dans l'axe vertical. (Les boosters produisent environ 90% de la poussé au décollage, la navette en produit 10% avec ses trois moteurs.) La direction que prend la fusée n'est donc pas verticale au décollage, mais pointe légèrement sous le nez de la navette.
Ce mouvement se confirme par la trainée laissée par les booster que l'on peut voir dans le plan large à 1:44 (t+9s)
à 1:47 (t+12s) la navette a assez de vitesse pour actioner ses surfaces de controle, elle pivote alors pour se placer dos à la surface de la terre alors qu'elle augmente déjà son assiette pour amorcer sa mise en orbite.
Comment résoudre les problèmes de symétrie?
Comme nous le montre les vols STS, une fusée qui ne possède pas de symétrie axiale n'est pas un problème en soit si de bonne précautions sont prises.
La possibilité d'orienter différemment l'étage de la navette s'avère essentiel dans ce type d'architecture. En jouant sur l'angle et la hauteur de la navette par rapport aux réservoirs et aux booster, il est possible de contrer la disymétrie.
On peut aussi tenter de la minimiser en ramenant au plus proche du centre de masse les moteurs de la navette.
L'utilisation de moteurs montés sur cadrans permettra de contrer facilement les petits desaxage de la poussée avec le centre de masse.
Les règles à respecter, à chaque configurations d'étages différents sont résumés dans le schéma suivant :
Schéma de principe général pour l'équilibre de la fusée. En vert on a le centre de masse de l'ensemble, les vecteurs oranges sont les vecteurs d'éjection des gaz des différents moyens de propulsion, le vecteur rouge est le vecteur résultant. Le vecteur rouge s'aligne avec le centre de masse mais n'a pas la même direction que l'axe de la fusée. Ainsi la navette ne décollera pas de manière rigoureusement verticale mais il n'y a aucun moment de force à contrer : l'ensemble est stable.
Nous à la MASA lorsqu'on pense vaisseau spatial, on démarre toujours par la fin!
LE VOL ATMOSPHERIQUE
le premier objectif est avant tout de pouvoir se poser avec une navette entière. La première des conditions est donc d'avoir un avion maniable et stable, à savoir centre de poussée et centre de portance alignés avec le centre de masse, le tout préalablement testé car ces conditions ne sont pas toujours suffisantes. Aucun sacrifice n'est autorisé à ce niveau!
La navette en vol atmosphérique doit avoir un moyen de propulsion suffisant et du carburant en excès pour pouvoir emmener avec elle des moteurs-fusée souvent massifs mais inutiles dans l'atmosphère.
N'oublions pas le train d'atterrissage qui doit être correctement positionné par rapport au centre de masse.
DESORBITAGE
Remontons donc le temps, à présent la navette est en vol orbital, elle doit posséder, en dehors du réservoir principal un moyen de propulsion lui permettant de se désorbiter. L'idéal est de garder un réservoir qui fera "tampon" entre le grand réservoir et les moteurs de la navette, afin de se servir desmoteur principaux pour la descente.
La navette américaine ne se permet pas cette économie. Les moteurs principaux étant desaxés pour contrer la disymétrie de l'ensemble au décollage, ils deviennent inutilisable dès lors que le réservoir principal se détache. De petits moteurs prennnent le relais et permettent de terminer l'orbite puis de se désorbiter. Leur réserve de carburant ne leur permet qu'un Delta-V de 300m/s!
LARGAGE DES BOOSTERS / MISE EN ORBITE
Lors de cette phase, il est possible que l'engin ralentisse, ce qui n'est pas très grave tant que la vitesse ne tombe pas trop bas. (moins de 200m/s). Selon les configurations, la fusée risque d'être assez fortement cabrée par rapport à son axe général. Le référentiel de contrôle de la fusée doitse trouver alors de préférence selon l'axe de poussée.
Schéma de principe pour la dynamique de la fusée seule après le largage des boosters. La géométrie de l'engin doit conserver un aligement entre le vecteur de poussé et le centre de masse. Le réservoir se vidant au cours de la mise en orbite, le centre de masse va se déplacer au cours du vol, à priori en direction de la navette. Il est important d'avoir un moyen d'adapter la dynamique de la fusée à ce déplacement du centre de masse, notamment par l'utilisation de moteur de montés sur cadrans, ainsi qu'un bon ensemble de roue à réaction. Les verniers et RCS sont plûtot à éviter car ils risquent de fonctionner à temps plein durant cette phase.
Le décollage de tels engin peut être assez perturbant. On procède à plusieurs décollages ratés avant d'en réussir un (unedevise à la MASA). Le phasage doit être le suivant pour assurer une bonne stabilité de l'ensemble : Actionnement du sas / allumage des moteurs principaux / Allumage des booster & désengagement de la fusée du pas de tir.
Il faut être prêt à ajuster la puissance du moteur dans le cas ou l'ensemble bascule.
L'idéal est de pouvoir constituer au moment de la conception un surplus possible au niveau des moteurs de la fusée afin de pouvoir ajuster la poussée correctement.
Attention, la fusée sera déportée latéralement lors du decolage. Il faut veillez à ce qu'aucune structure ne gêne ce déport (une règle d'Or à la MASA après de multiples crash à t+1s)
Dans cette phase du vol, l'orientation de la navette est empirique puisque son vecteur de poussée n'est en rapport avec aucun référentiel. La MASA conseille donc d'orienter dès que possible la navette avec le cap 90° dans le dos et de relever le nez à +80° d'assiette au dessus de l'horizon, en position renversée. Ainsi la composante horizontale ne sera pas perdue!
LE PROGRAMME SHUTTLE
Le programme SHUTTLE avait pour but de rentabiliser au maximum les vols de la MASA, au moment ou celle-ci a subit une vague de libéralisation ouvrant la voie aux premiers contrats. En développant un vaisseau dont on ramènerait le maximum de pièce, le KSC espérait diviser par deux le cout d'un lancement. Techniquement sous estimé, ce programme montre très vite qu'il ne tiendra pas ses promesses, si bien que c'est la branche recherche de la MASA qui poursui actuellement le programme. 4 navettes ont pour le moment été mises au point avec des succès divers.
SHUTTLE 1
La première version du pogramme a vite tourné à la Bérézina. L'objectif utopiste des ingénieurs de la MASA était de proprulsé l'étage de la navette grâce aux moteur R.A.P.I.E.R afin d'écoomiser le poid d'une double motorisation.
Erreur grave.
Les moteurs se sont révélés largement sous-dimensionnés. De plus les ingénieurs n'avaient pas prévu le décalage du vecteur poussé lors du largage des booster. Le résultat est une navette incontrolable avec une vitesse en chute à 7500m seulement.
SHUTTLE 2
Shuttle 2 est la vraie réussite de ce programme. Elle remplit tous les objectifs de la mission à 100%. En surbaissant les moteurs au plus prêt du centre de masse, la fusée est stable. La navette est capable de se mettre en orbite et de revenir à son point de départ.
Les points à améliorer sont tout d'abord une esthétique un peu "rustique" : avec ses moteurs flanqués sous les ailes, la navette semble bien embarrassée. Le vol atmosphérique n'est pas très confortable et la navette est un peu sous dimensionnée pour voler avec la masse inerte des moteurs. L'engin est globalement de faible dimension et ne peut pas acceuillir à l'heure actuelle de charge utile.
SHUTTLE 3
Shuttle 3 fait la fierté des ingénieurs de la MASA par l'originalité de son architecture en pod parallèles. L'idée étant qu'en écartant au maximum les moteurs en saillie de part et d'autre de deux grand réservoir, on augmenterait significativement la capacité de transport de la navette sans augmenter sa hauteur (et eviter les problème de manoeuvre qu'aurait engendré un réservoir deux fois plus long).
C'est un modèle encore perfectible, l'hypothèse de remplacer les mainsails par des skipper semble faire l'unanimité à la MASA, afin d'abaisser la masse et la puissance inadapté d'un tel dispositif. La stabilité en vol atmosphérique reste aussi àaméliorer.
SHUTTLE 4
La MASA peut s'enorgueuillir d'avoir réussi une très belle navette. La volonté d'intégrer mieux que ses prédecesseurs la propulsion principale dans le corps de l'avion est un pari relevé. La navette n'ayant pas été testée en vol atmosphérique, Jebedaiah s'est retrouvé bien embêté en s'apercevant, au retour d'une mission inaugurale impécable, que l'appareil préférait voler à l'envers.
Une copie à revoir donc.
SHUTTLE 6 (maj 18 août)
La shuttle 6 sur le pas de tir
Décollage!
Séparation des boosters
Le virage s'opère assez haut...
Mais la msie en orbite est sans encombre
La navette se retourne et actionne les retrofusées sur le réservoir.
Les moteurs principaux sont activés, le KSC est en vue à l'horizon
L'aile droite ballote pas mal pendant la rentrée
Allumage des turbojet, en vue de la piste 27
L'aterrissage est un succès!
La navette ne laisse aucun déchet en orbite : des retrofusées font redescendre automatiquement le réservoir dans l'atmosphère lors de la séparation en déplaçant son périgé autour de 28 000 m.
La navette, munie de ses compresseurs à haut rendement, peut maintenir une vitesse autour de 1100 m/s à 19 000m, pratique pour retrouver rapidement le KSC après une rentrée un peu courte!
L'atérissage est le moment critique, il est conseillé de maintenir les moteurs plein gaz et d'arriver très haut au dessus de la piste (~2000m) puis d'effectuer un plongeon à 45° en coupant les moteurs. l'idée est d'arriver très vite afin d'arrondir avec une assiette faible, pour ne pas frotter les turbojet qui ont une faible garde au sol. La MASA affiche une réussite de 20% sur l'aterissage... un point à améliorer!
TELECHARGER LES PLANS DE LA SHUTTLE 2
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