MICROGRAVITE |
Mise à jour décembre 2000, revu sept 2011 III Microgravité IV Utilisation industrielles : microgravité et vide spatial |
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La microgravité a un
domaine d'application immense tant sur le plan pratique que théorique. Avant de
développer ce sujet, nous préparons le lecteur a bien comprendre l'origine de
la microgravité.
Contrairement à ce que l'on
peut penser, la notion d'apesanteur ou encore d'impesanteur, ne tombe pas sous
le sens commun et demande une mise au point.
1°) NOTION DE FORCE
SPECIFIQUE :
Imaginons une
"boite", en pratique une capsule spatiale, notée S de masse M et de
centre d'inertie G. Notons :
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La résultante de toutes les forces extérieures(1) autres que gravitationnelles agissant sur la capsule |
La résultante de toutes les forces de gravitation(2) agissant sur la cabine |
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L'ACCELERATION dite STATIQUE(3) ou encore FORCE SPECIFIQUE |
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L'accélération due à la gravitation |
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La poussée moteur, supposée sur l'axe lanceur D. |
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La force de traînée |
(1) Il s'agit principalement:
Il s'agit secondairement
des forces de perturbation autres que gravitationnelles:
(2) Il s'agit exclusivement des forces de gravitation:
(3) Cette notion
d'accélération statique apparaît dans toutes les données graphiques
concernant un lanceur. En effet, généralement, durant une phase propulsée, le
vol se déroule quasiment à incidence nulle, la poussée et la traînée sont alors
portées par l'axe longitudinal du lanceur, alors que la pesanteur a une
orientation qui dépend de l'assiette. De plus l'accélération due aux forces non
gravitationnelles est la seule ressentie par un être humain qui serait
présent à bord, puisque sous la seule gravitation un passager flotte dans
la cabine, ce que nous montrons par ailleurs.
On
parlera donc de l'accélération statique, sans plus jamais préciser sa
direction, bien connue de tout le monde.
EXEMPLE:
LES GRAPHES DE PERFORMANCES FOURNIS POUR LES LANCEURS, dans le MUA :
Ci-dessous
ceux relatifs à l'excellent lanceur de la famille ARIANE 4, qui rassemble
l'ensemble des paramètres utiles , dont notamment l'ACCELERATION
STATIQUE bien précisée sur le graphe.
Commentons
la courbe G :
T |
G statique |
0 |
16 m/s² ==> accélération réelle (G-g) de l'ordre de 6 m/s² |
30 s |
Saut d'accélération qui correspond au largage des PAP |
60 à 80 s |
Le palier marque le passage du mur du son |
130 s |
Saut d'accélération après largage des PAL |
Vers 210 s |
Extinction de l'étage 1 et largage de l'étage vide |
Etc... |
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2°) PRINCIPE DE
RELATIVITE D'EINSTEIN-GALILEE :
Einstein s'est posé
une question simple et capitale, pour qui envisage de quitter notre planète
pour un voyage dans le système solaire ou plus loin.
Un astronaute voyageant
dans une capsule spatiale totalement isolée du reste du monde ( du moins en ce
qui concerne l'information et les ondes de toute sorte), est autorisé à
emporter tout ce qu'il lui plaît ( livres, musique, énergie sous toute ses
formes, encyclopédies, appareillages de mesure de toute sorte mais non liés à
l'extérieur,....).
QUESTION ? Que peut-il connaître ou
mesurer de son mouvement?
La réponse
apparaît comme indémontrable et annoncée comme un principe, dit PRINCIPE DE
RELATIVITE D'EINSTEIN-GALILEE:
A bord du véhicule on ne
pourra connaître du mouvement de la capsule que :
La FORCE SPECIFIQUE ou encore l'ACCELERATION STATIQUE |
Comment? Par un boîtier accélérométrique, comportant 3 accéléromètres
mesurant la composante de l'accélération statique sur 3 directions
orthogonales.
Le vecteur rotation instantanée, donc mesuré dans une base galiléenne |
Comment? Par un boîtier gyrométrique, comportant 3 gyromètres mesurant la composante du vecteur
rotation absolue sur 3 directions orthogonales.
INTERÊT DU PRINCIPE ?
La force spécifique
élaborée par une centrale inertielle, permet de calculer l'accélération
absolue, la vitesse absolue et la position dans un repère galiléen, donc
ensuite dans tout repère intéressant pour la capsule. On a donc inventé un
système de localisation ou NAVIGATEUR INERTIEL.
Le vecteur rotation absolu
permet de calculer les angles d'orientation et donc l'attitude de la capsule.
On a donc inventé un système d'orientation dans l'espace.
Ces deux conclusions sont
capitales pour un voyage lointain, car la capsule "sait" parfaitement
où elle se trouve et comment elle est orientée. C'est la base de LA
NAVIGATION INERTIELLE, dont nous expliquerons plus loin le fonctionnement.
Personne
ne peut imaginer ce qu'est cet état, dont nous avons vu les effets lors de
retransmissions télévisées. Essayons de le caractériser.
1°)
DEFINITION :
On
dit qu'un corps est en état d'apesanteur( ou impesanteur ), lorsqu'il n'est
soumis qu'aux seules forces de gravitation. Autrement dit:
Ce
n'est donc surtout pas l'absence de gravitation. C'est tout le contraire, seule
la gravitation est présente.
2°)
CONSEQUENCES :
Imaginons
une cabine spatiale So de centre d'inertie Go, de masse Mo et un astronaute S
de centre d'inertie G, de masse m. Supposons qu'à l'instant du calcul,
l'astronaute ne soit pas en interaction avec la cabine, avec les centres
d'inertie confondus et sans vitesse relative par rapport à la cabine. Autant
dire , à l'instant du calcul G et Go ont même position et même vitesse absolue
dans un repère galiléen ou inertiel.
NB
: Les deux corps ayant des dimensions relativement réduites, quelques dizaines
de mètres au plus pour la cabine en particulier, nous confondrons centre d'inertie
et centre de gravité.
Equations du mouvement :
La
loi fondamentale de la dynamique appliquée séparément aux deux corps qui ne
sont en interaction, donne :
Conclusions
:
De
toute évidence G et Go restent toujours confondus, ce qui se traduit par G et
Go ont la même trajectoire. De manière plus imagée, même si les mouvements de
rotation de S et So ne sont pas identiques, l'ASTRONAUTE
DONNE L'IMPRESSION DE FLOTTER PAR RAPPORT A LA CABINE.
C'est
le phénomène d'APESANTEUR. On peut encore dire d'une manière différente que les
2 corps en CHUTE LIBRE, "tombent" de la même façon.
Ce
sont des conditions qui se rencontrent presque parfaitement en orbite au dessus
de 250 km d'altitude ou dans un voyage Terre-Lune.
Pour
se convaincre de l'effet de flottement, il faut se reporter aux documents vidéo
qui provenait de la station MIR en particulier ou de la NAVETTE US.
1°)
MISE EN EVIDENCE :
On
parle de microgravité dans les vaisseaux spatiaux, du fait des accélérations
résiduelles provenant de l'attraction réciproque des corps( alors que avions
posé qu'il n'existait pas d'interactions entre les 2 corps), du mouvement des
astronautes, des vibrations, de la dilatation ou contraction des structures de
la cabine, d'un freinage du à une atmosphère résiduelle........
Le
fait même que G et Go, par exemple ne soient pas confondus entraîne un gradient
de gravité.
Pour
conclure on réserve le nom de microgravité à un environnement spatial dans
lequel l'accélération résiduelle relative est de l'ordre de 10-4g à
10-8g.
NB : La
microgravité est d'autant plus difficile à obtenir, qu'il existe des mouvements
perturbateurs dans le véhicule ( vols humains, pompes ou ventilations, etv...)
2°)
EFFETS PHYSIQUES IMMEDIATS :
PHENOMENES ABSENTS
Absence de pression hydrostatique dans les
fluides
Disparition
de la convection ==> dificulté de refroidissement de certaines
électroniques, températures de cabine peu homogènes ( nécessité de ventilateurs
) ...
Sédimentation
absente
Poussée
d'Archimède absente
Absence
de stratification dans les mélanges de densité différentes(sur Terre)
Lévitation
( pas de contamination par le contenant )
PHENOMENES IMPORTANTS
Certaines
forces occultées sur terre, prennent une importance nouvelle:
Capillarité
Mouillabilité
Phénomènes de
tension superficielle
Sur un
plan médical, on constate une répartition différente du sang dans le corps
humain, en particulier une accumulation du sang dans les parties hautes du
corps.
Egalement,
par manque de pression dans les articulations, une baisse du taux de calcium
dans les os, une dilatation de la colonne vertébrale....
3°)
HISTOIRE DE LA MICROGRAVITE :
Depuis
longtemps ce domaine a intéressé les chercheurs. La réalisation de conditions
de microgravité, va de la tour ou tube à chute libre jusqu'aux stations
spatiales les plus modernes, en passant par l'avion.
Quatre critères sont importants :
Un
premier critère est le niveau de microgravité souhaité, 10-2g dans un
avion et classiquement 10-7g dans une station orbitale.
Le
deuxième est très pénalisant, c'est la durée de microgravité, durée qui dépend
essentiellement du moyen d'emport utilisé. Voir plus loin.
En
matière de production industrielles se pose la question du coût.
La
masse du matériel industriel ou expérimental à emporter
IV UTILISATION MICROGRAVITE ET
VIDE SPATIAL :
Les
conditions particulières de la microgravité, permettent la mise en œuvre de
processus impossibles ou difficiles sur terre. Il est naturellement impossible
de dresser une liste exhaustive de toutes les applications et encore moins
d'entrer dans les détails de la technologie. Seuls quelques exemples sont
indiqués
1°)
Purification :
La
biologie moléculaire et les bio-industries travaillent sur des macromolécules
d'origine biologique(protéines, peptides, ARN, ADN,...) pour lesquelles la
purification est capitale.
On
procède à une séparation par champ électrique, l'ELECTROPHORESE qui permet
aussi de séparer des cellules. La microgravité qui élimine la sédimentation et
réduits les effets convectifs améliore la résolution
Citons
aussi :Séparation par gradient de vitesse, de pH
2°)
Microencapsulation :
La
médecine s'oriente vers des traitements qui aident et complètent l'action de
l'organisme humain. Il faut aussi apporter des substances palliatives ou
substitutives. La délivrance de ces produits doit permettre une distribution in
situ, au bon moment, lorsque l'organisme en a besoin. Ceci ne peut être atteint
par la chimie habituelle. On est ainsi arrivé au concept de MICROENCAPSULATION
de cellules ou d'amas cellulaires dans des microsphères, qui vont produire les
substances nécessaires sur demande de l'organisme.
3°)
Processus de fusion et solidification :
La
solidification dirigée de métaux, d'alliages ou de semi-conducteurs, permet
d'en contrôler les propriétés. Elle consiste à refroidir le liquide en lui
imposant un flux thermique directionnel. La microgravité qui élimine la convection
permet un résultat homogène à structure régulière.
4°)
Elaboration de semi-conducteurs :
C'est
la maîtrise de croissance de monocristaux à partir de bains fondus qui est
essentielle. Les lingots obtenus sont découpés en tranches sur lesquelles des
couches actives sont déposées, permettant la réalisation de circuits logiques.
Là
encore l'absence de gravité et de convection, éliminant les turbulences et les
contaminations, permettent une grande qualité de résultat.
5°)
Production de verres et céramiques :
Sur
terre la gravité et la convection créent des gradients de températures dans les
pâtes en refroidissement. Il en résulte des inhomogénéités des verres qui
nuisent à leur qualité. Dans l'espace ces difficultés disparaissent, de même
que sont modifiées la diffusion, les tensions superficielles, la viscosité,
permettant l'obtention d'émulsions homogènes et un contrôle du dopage dans des
interfaces.
6°)
Films minces :
En
électronique et en métallurgie on utilise les films minces pour la conception
de détecteurs de rayons X, de cellules solaires, de semi-conducteurs, de films
photographiques ou encore en optoélectronique.
Le
dépôt est fait par croissance en phase vapeur. Le danger est la contamination
par l'environnement. dans l'espace les résultats obtenus sont beaucoup plus
purs.
7°)
Autres applications :
Fabrication
de sphères sans contenant, en utilisant la lévitation
Croissance
unidirectionnelle de cristaux
Gravure
par faisceau
Dépôt
et métallisation sous vide ( vide spatial existant)
Réalisations
de mélanges homogènes (absence d'émulsions stratifiées)
Etude
de croissance cellulaire, cultures cellulaires ( environnement stérile)
Etude
de processus nécessitant des rayonnements ( celui du soleil est constant et
illimité)
Mise
en œuvre de processus dans un environnement vibratoire très faible
1°) Tours et tubes à chute libre :
C'est
le premier système utilisé en France (ZARM et CENG), aux USA ( Lewis et Marshall)
avec des temps de microgravité courts de 3 s à 10 s et un niveau de
microgravité de l'ordre de 10-4g à 10-8g
2°) Largage depuis un ballon :
Temps
de microgravité de l'ordre de 60 s et un niveau de microgravité de l'ordre de
10-2g à 10-4g, avec un emport possible de 200 kg (
Mikroba)
3°) Vols paraboliques en avion :
Temps de microgravité de 15 à 60 s
un niveau de microgravité de l'ordre de 10-2g à 10-3g,
avec un emport possible de 200 à 600 kg.
Vols
réalisés en Caravelle ou Dornier F28 en France et KC 135, LEARJET, F104, T33
aux USA et Canada, Iliouchine EN URSS
Cette
technique demande une petite explication mécanique :
Considérons
un avion en vol, soumis aux forces classiques que sont:
La
pesanteur P, la résultante
aérodynamique R qui se décompose en traînée Rx opposée au vecteur
vitesse et portance P normale au vecteur vitesse, dans une direction qui dépend
de l'incidence, cette force dépend essentiellement du pilotage de l'avion et en
particulier de l'incidence, et enfin la poussée des
moteurs F également réglée par le pilote.
L'équation
du mouvement du centre d'inertie G s'écrit :
Tout
l'art du vol parabolique réside dans un pilotage très fin, où le pilote place
l'avion dans une configuration où 3 forces s'annulent pour ne laisser la place
qu'à la pesanteur.
L'avion
est alors en chute libre et les personnels à bord "flottent" dans la
cabine. La durée est en général courte, mais suffisante pour un entraînement
d'astronaute ou une expérimentation.
L'intérêt
de l'avion est la possibilité d'enchaîner plusieurs vols paraboliques dans une
même sortie.
Temps
de microgravité de 15 à 30 jours et un niveau de microgravité de l'ordre de 10-3g
à 10-4g, avec un emport possible de 140 à 500 kg ( TOPAS Italie +
France, Space courrier RFA, Carina Canada, SRV aux USA, Photon en URSS et FSW1
en Chine)
5°)
Fusées sondes :
Temps
de microgravité 5 à 15 mn et un niveau de microgravité de l'ordre de 10-2g
à 10-4g, avec un emport possible de 250 à 550 hg ( Texus france,
Maser Suède, Conatec USA TR1 Japon)
6°)
Satellites automatiques :
Temps
de microgravité de quelques mois et un niveau de microgravité de l'ordre de 10-5g
à 10-7g, avec un emport possible de 1000 à 5000 kg ( Eureca ESA,
MTFF France, ISF USA, SFU Japon )
7°)
Modules de Navette spatiale :
Temps
de microgravité de 1 semaine et un niveau de microgravité de l'ordre de 10-3g
à 10-5g, avec un emport possible de 4500 kg ( SPACELAB ESA, BOURANE
URSS)
Temps
de microgravité de plusieurs années et un niveau de microgravité de l'ordre de
10-g à 10-5g, avec un emport possible de 10000 kg (
Colombus ESA, FREEDOM USA JEM Japon, MIR1 et MIR2 URSS)
Guiziou Robert décembre 2000, sept
2011