EXPLOITATION D'UN DOCUMENT NUMERIQUE DE LA NASA SUR LA RENTREE D'UN PLANEUR HYPERSONIQUE SUR MARS |
(Traitement du projet possible par tout langage de programmation)
I PRESENTATION :
1°) Généralités :
On s'intéresse ici au problème de la rentrée atmosphérique, sur la planète Mars, d'un engin spatial, avec une dépense d'énergie naturelle, sans intervention d'un moteur pour la partie principale du freinage. Sans aucun doute, l'arrivée future d'un planeur sur Mars devra utiliser un freinage aérodynamique dans l'atmosphère de cette planète.
Souvenez vous de la sonde PATHFINDER que les spécialistes du JET PROPULSION LABORATORY de la NASA ont posé en 1997, vous trouverez plus loin une documentation la concernant.
A partir de l'étude faite en cours du mouvement d'un lanceur, vous adapterez la théorie au cas de la rentrée d'un aéronef en provenance d'une orbite basse.
La recherche de documents devrait faire partie du projet, pour illustrer et conforter les résultats et aussi permettre une meilleure compréhension du phénomène ainsi qu'une analyse plus fine des éventuelles erreurs que vous pourriez commettre.
2°) Conditions de la rentrée:
Pour ce projet on se limitera à une rentrée plane, dans le plan équatorial de la planète.
Le JPL considère le début de la phase atmosphérique à 130 km. Cependant, la rentrée ne sera effective, avec un freinage sensible, qu'à partir de l'altitude ZE = 80 km du sol martien
3°) Données planétaires:
Caractéristiques de Mars |
|
|
|
Masse (kg) |
6,421e+23 |
Rayon à l'équateur (km) |
3 397,2 |
Densité moyenne (kg/m3) |
3,94e-3 |
|
|
Distance moyenne au Soleil (km) |
227 940 000 |
Période de rotation (heures) |
24,6229 |
Période orbitale (jours) |
686,98 |
Vitesse orbitale moyenne (km/sec) |
24,13 |
|
|
Excentricité de l'orbite |
0,0934 |
Inclinaison de l'axe de rotation (degrés) |
25,19 |
Inclinaison de l'orbite (degrés) |
1,850 |
|
|
Force gravitationnelle à l'équateur (m/sec2) |
3,72 |
Vitesse d'échappement à l'équateur (km/sec) |
5,02 |
|
|
Température minimum à la surface |
-140°C |
Température moyenne à la surface |
-63°C |
Température maximum à la surface |
20°C |
Pression atmosphérique (bars) |
0,007 |
Composition de l'atmosphère Dioxyde de carbone (C02) Azote (N2) Argon (Ar) Oxygène (O2) Monoxyde de carbone (CO) Eau (H2O) Néon (Ne) Krypton (Kr) Xénon (Xe) Ozone (O3) |
|
II TRAITEMENT DES DONNEES ET DES EQUATIONS :
On donne
mmars = 4.305 104 km3s-2 et le rayon de mars Rmars = 3397 km1°) DONNEES NUMERIQUES A EXPLOITER :
MARS ATMOSPHERIC PROBE ENTRY TRAJECTORY
Entry Speed 7.1 km/s, entry angle -16 degrees, mass 300 kg, Hypersonic Cd 1.6, cross-sectional area 3.1416 sq m.
NB : Vous pouvez retrouver ces données, en colonnes, séparées par des tabulations, pour une exploitation dans un tableur ou en fichier de données numériques dans le fichier :ATMOS_Mars.xls ATTENTION : Point décimal remplacé par une virgule |
||||
T(s) |
Alt(m) |
V(m/s) |
Gamma(°) |
Density (kg/m3) |
0 |
125000 |
7101,20 |
-16,00 |
6,31E-09 |
1 |
122981,98 |
7102,20 |
-15,91 |
7,80E-09 |
2 |
120974,67 |
7103,20 |
-15,82 |
9,28E-09 |
3 |
118978,08 |
7104,10 |
-15,73 |
1,35E-08 |
4 |
116992,23 |
7105,10 |
-15,64 |
2,04E-08 |
5 |
115017,15 |
7106,00 |
-15,55 |
2,71E-08 |
6 |
113052,85 |
7107,00 |
-15,47 |
3,39E-08 |
7 |
111099,36 |
7107,90 |
-15,38 |
4,06E-08 |
8 |
109156,69 |
7108,90 |
-15,29 |
5,41E-08 |
9 |
107224,87 |
7109,80 |
-15,2 |
7,62E-08 |
10 |
105303,93 |
7110,70 |
-15,11 |
9,82E-08 |
11 |
103393,87 |
7111,6 |
-15,02 |
1,20E-07 |
12 |
101494,73 |
7112,40 |
-14,93 |
1,42E-07 |
13 |
99606,53 |
7113,3 |
-14,84 |
1,71E-07 |
14 |
97729,29 |
7114,1 |
-14,75 |
2,27E-07 |
15 |
95863,03 |
7115 |
-14,66 |
2,83E-07 |
16 |
94007,78 |
7115,7 |
-14,57 |
3,67E-07 |
17 |
92163,57 |
7116,5 |
-14,48 |
4,75E-07 |
18 |
90330,43 |
7117,1 |
-14,39 |
5,83E-07 |
19 |
88508,38 |
7117,8 |
-14,3 |
7,71E-07 |
20 |
86697,48 |
7118,3 |
-14,2 |
9,77E-07 |
21 |
84897,74 |
7118,7 |
-14,11 |
1,19E-06 |
22 |
83109,23 |
7119 |
-14,02 |
1,59E-06 |
23 |
81332 |
7119,1 |
-13,93 |
1,99E-06 |
24 |
79566,1 |
7119 |
-13,84 |
2,48E-06 |
25 |
77811,6 |
7118,6 |
-13,75 |
3,25E-06 |
26 |
76068,59 |
7117,9 |
-13,66 |
4,01E-06 |
27 |
74337,16 |
7116,9 |
-13,57 |
5,04E-06 |
28 |
72617,44 |
7115,2 |
-13,48 |
6,51E-06 |
29 |
70909,57 |
7113 |
-13,39 |
7,96E-06 |
30 |
69213,72 |
7110 |
-13,29 |
1,00E-05 |
31 |
67530,08 |
7106 |
-13,2 |
1,27E-05 |
32 |
65858,91 |
7100,7 |
-13,11 |
1,54E-05 |
33 |
64200,49 |
7094,2 |
-13,02 |
1,92E-05 |
34 |
62555,16 |
7085,8 |
-12,93 |
2,42E-05 |
35 |
60923,38 |
7075,2 |
-12,84 |
2,91E-05 |
36 |
59305,57 |
7062,4 |
-12,74 |
3,57E-05 |
37 |
57702,33 |
7046,2 |
-12,65 |
4,45E-05 |
38 |
56114,38 |
7026,3 |
-12,56 |
5,31E-05 |
39 |
54542,43 |
7002,9 |
-12,47 |
6,37E-05 |
40 |
52987,35 |
6974 |
-12,38 |
7,88E-05 |
41 |
51450,3 |
6939,1 |
-12,29 |
9,39E-05 |
42 |
49932,4 |
6898,5 |
-12,2 |
1,09E-04 |
43 |
48434,83 |
6850 |
-12,11 |
1,35E-04 |
44 |
46959,32 |
6792,1 |
-12,02 |
1,60E-04 |
45 |
45507,51 |
6725,4 |
-11,93 |
1,85E-04 |
46 |
44080,93 |
6649,4 |
-11,84 |
2,21E-04 |
47 |
42681,64 |
6560,2 |
-11,75 |
2,62E-04 |
48 |
41311,87 |
6459 |
-11,67 |
3,02E-04 |
49 |
39973,5 |
6347,3 |
-11,58 |
3,41E-04 |
50 |
38668,31 |
6222,2 |
-11,5 |
4,05E-04 |
51 |
37398,76 |
6082,3 |
-11,42 |
4,66E-04 |
52 |
36166,98 |
5930,3 |
-11,33 |
5,26E-04 |
53 |
34974,43 |
5769 |
-11,26 |
5,84E-04 |
54 |
33822,36 |
5596 |
-11,18 |
6,76E-04 |
55 |
32712,64 |
5410,5 |
-11,11 |
7,64E-04 |
56 |
31646,58 |
5216,7 |
-11,03 |
8,49E-04 |
57 |
30624,65 |
5018,5 |
-10,97 |
9,30E-04 |
58 |
29646,67 |
4818,3 |
-10,9 |
1,03E-03 |
59 |
28712,57 |
4613 |
-10,84 |
1,15E-03 |
60 |
27822,5 |
4405,1 |
-10,78 |
1,26E-03 |
61 |
26975,91 |
4198,4 |
-10,72 |
1,37E-03 |
62 |
26171,61 |
3995,8 |
-10,67 |
1,47E-03 |
63 |
25407,99 |
3799,5 |
-10,62 |
1,57E-03 |
64 |
24683,15 |
3610,4 |
-10,57 |
1,68E-03 |
65 |
23995,48 |
3425,9 |
-10,53 |
1,82E-03 |
66 |
23343,61 |
3247,1 |
-10,49 |
1,96E-03 |
67 |
22725,88 |
3075,7 |
-10,45 |
2,08E-03 |
68 |
22140,41 |
2912,8 |
-10,42 |
2,20E-03 |
69 |
21585,22 |
2758,8 |
-10,4 |
2,31E-03 |
70 |
21058,33 |
2613,9 |
-10,37 |
2,42E-03 |
71 |
20557,76 |
2478,2 |
-10,35 |
2,52E-03 |
72 |
20081,6 |
2351,2 |
-10,34 |
2,61E-03 |
73 |
19628,09 |
2232 |
-10,33 |
2,75E-03 |
74 |
19195,78 |
2119,2 |
-10,32 |
2,88E-03 |
75 |
18783,35 |
2012,7 |
-10,32 |
3,01E-03 |
76 |
18389,48 |
1912,7 |
-10,32 |
3,13E-03 |
77 |
18012,9 |
1818,8 |
-10,32 |
3,24E-03 |
78 |
17652,38 |
1730,9 |
-10,33 |
3,35E-03 |
79 |
17306,77 |
1648,6 |
-10,34 |
3,46E-03 |
80 |
16974,97 |
1571,7 |
-10,36 |
3,56E-03 |
81 |
16655,97 |
1499,7 |
-10,38 |
3,66E-03 |
82 |
16348,8 |
1432,5 |
-10,41 |
3,76E-03 |
83 |
16052,59 |
1369,6 |
-10,44 |
3,85E-03 |
84 |
15766,51 |
1310,7 |
-10,47 |
3,93E-03 |
85 |
15489,81 |
1255,6 |
-10,51 |
4,02E-03 |
86 |
15221,78 |
1204 |
-10,55 |
4,10E-03 |
87 |
14961,78 |
1155,6 |
-10,6 |
4,19E-03 |
88 |
14709,24 |
1109,9 |
-10,66 |
4,30E-03 |
89 |
14463,67 |
1066,6 |
-10,71 |
4,42E-03 |
90 |
14224,63 |
1025,7 |
-10,77 |
4,53E-03 |
91 |
13991,71 |
987 |
-10,84 |
4,63E-03 |
92 |
13764,49 |
950,3 |
-10,91 |
4,74E-03 |
93 |
13542,61 |
915,6 |
-10,98 |
4,84E-03 |
94 |
13325,71 |
882,7 |
-11,06 |
4,94E-03 |
95 |
13113,46 |
851,6 |
-11,14 |
5,04E-03 |
96 |
12905,53 |
822,1 |
-11,22 |
5,13E-03 |
97 |
12701,64 |
794,1 |
-11,31 |
5,23E-03 |
98 |
12501,52 |
767,6 |
-11,41 |
5,32E-03 |
99 |
12304,89 |
742,5 |
-11,5 |
5,41E-03 |
100 |
12111,52 |
718,6 |
-11,61 |
5,50E-03 |
101 |
11921,18 |
695,9 |
-11,71 |
5,59E-03 |
102 |
11733,65 |
674,4 |
-11,82 |
5,67E-03 |
103 |
11548,73 |
653,9 |
-11,94 |
5,76E-03 |
104 |
11366,24 |
634,4 |
-12,05 |
5,84E-03 |
105 |
11186 |
615,8 |
-12,17 |
5,92E-03 |
106 |
11007,84 |
598,1 |
-12,3 |
6,01E-03 |
107 |
10831,61 |
581,3 |
-12,43 |
6,09E-03 |
108 |
10657,15 |
565,2 |
-12,56 |
6,17E-03 |
109 |
10484,34 |
549,9 |
-12,7 |
6,25E-03 |
110 |
10313,04 |
535,2 |
-12,84 |
6,33E-03 |
111 |
10143,14 |
521,2 |
-12,98 |
6,40E-03 |
112 |
9974,51 |
507,9 |
-13,13 |
6,49E-03 |
113 |
9807,06 |
495,1 |
-13,27 |
6,60E-03 |
114 |
9640,7 |
482,7 |
-13,43 |
6,72E-03 |
115 |
9475,38 |
470,9 |
-13,58 |
6,83E-03 |
116 |
9311,01 |
459,4 |
-13,74 |
6,94E-03 |
117 |
9147,53 |
448,4 |
-13,9 |
7,06E-03 |
118 |
8984,88 |
437,9 |
-14,06 |
7,17E-03 |
119 |
8822,99 |
427,7 |
-14,22 |
7,28E-03 |
120 |
8661,81 |
417,9 |
-14,39 |
7,39E-03 |
121 |
8501,28 |
408,5 |
-14,56 |
7,50E-03 |
122 |
8341,34 |
399,4 |
-14,73 |
7,61E-03 |
123 |
8181,95 |
390,7 |
-14,9 |
7,72E-03 |
124 |
8023,05 |
382,3 |
-15,08 |
7,83E-03 |
125 |
7864,6 |
374,2 |
-15,25 |
7,94E-03 |
126 |
7706,55 |
366,4 |
-15,43 |
8,05E-03 |
127 |
7548,86 |
358,9 |
-15,61 |
8,16E-03 |
128 |
7391,49 |
351,7 |
-15,8 |
8,27E-03 |
129 |
7234,41 |
344,8 |
-15,98 |
8,37E-03 |
130 |
7138,12 |
337,157 |
-16,5925 |
8,54E-04 |
131 |
7040,47 |
329,904 |
-17,2165 |
8,59979E-03 |
132 |
6941,46 |
322,989 |
-17,8518 |
8,65982E-03 |
133 |
6841,08 |
316,394 |
-18,4980 |
8,72112E-03 |
134 |
6739,33 |
310,099 |
-19,1549 |
8,78372E-03 |
135 |
6636,21 |
304,088 |
-19,8222 |
8,84762E-03 |
136 |
6531,73 |
298,347 |
-20,4995 |
8,91285E-03 |
137 |
6425,89 |
292,859 |
-21,1866 |
8,97944E-03 |
138 |
6318,69 |
287,613 |
-21,8829 |
9,04740E-03 |
139 |
6210,15 |
282,595 |
-22,5883 |
9,11676E-03 |
140 |
6100,26 |
277,795 |
-23,3022 |
9,18753E-03 |
141 |
5989,03 |
273,201 |
-24,0244 |
9,25974E-03 |
142 |
5876,47 |
268,803 |
-24,7543 |
9,33340E-03 |
143 |
5762,60 |
264,593 |
-25,4915 |
9,40854E-03 |
144 |
5647,41 |
260,561 |
-26,2357 |
9,48518E-03 |
145 |
5530,93 |
256,699 |
-26,9863 |
9,56333E-03 |
146 |
5413,16 |
252,999 |
-27,7429 |
9,64302E-03 |
147 |
5294,11 |
249,454 |
-28,5050 |
9,72427E-03 |
148 |
5173,80 |
246,057 |
-29,2722 |
9,80709E-03 |
149 |
5052,24 |
242,801 |
-30,0439 |
9,89151E-03 |
150 |
4929,44 |
239,680 |
-30,8197 |
9,97754E-03 |
151 |
4805,42 |
236,688 |
-31,5991 |
1,00652E-02 |
152 |
4680,20 |
233,819 |
-32,3816 |
1,01545E-02 |
153 |
4553,79 |
231,068 |
-33,1667 |
1,02455E-02 |
154 |
4426,20 |
228,429 |
-33,9538 |
1,03382E-02 |
155 |
4297,47 |
225,898 |
-34,7426 |
1,04326E-02 |
156 |
4167,59 |
223,471 |
-35,5325 |
1,05287E-02 |
157 |
4036,60 |
221,141 |
-36,3230 |
1,06266E-02 |
158 |
3904,52 |
218,906 |
-37,1136 |
1,07262E-02 |
159 |
3771,35 |
216,760 |
-37,9038 |
1,08276E-02 |
160 |
3637,13 |
214,701 |
-38,6933 |
1,09308E-02 |
161 |
3501,88 |
212,723 |
-39,4814 |
1,10359E-02 |
162 |
3365,61 |
210,823 |
-40,2679 |
1,11427E-02 |
163 |
3228,35 |
208,998 |
-41,0521 |
1,12514E-02 |
164 |
3090,12 |
207,244 |
-41,8337 |
1,13620E-02 |
165 |
2950,96 |
205,557 |
-42,6124 |
1,14744E-02 |
166 |
2810,87 |
203,935 |
-43,3876 |
1,15887E-02 |
167 |
2669,88 |
202,374 |
-44,1589 |
1,17050E-02 |
168 |
2528,03 |
200,871 |
-44,9261 |
1,18231E-02 |
169 |
2385,33 |
199,423 |
-45,6888 |
1,19432E-02 |
170 |
2241,81 |
198,028 |
-46,4465 |
1,20652E-02 |
171 |
2097,50 |
196,682 |
-47,1990 |
1,21892E-02 |
172 |
1952,43 |
195,384 |
-47,9460 |
1,23152E-02 |
173 |
1806,62 |
194,130 |
-48,6872 |
1,24431E-02 |
174 |
1660,09 |
192,917 |
-49,4223 |
1,25731E-02 |
175 |
1512,88 |
191,745 |
-50,1510 |
1,27050E-02 |
176 |
1365,02 |
190,610 |
-50,8731 |
1,28389E-02 |
177 |
1216,52 |
189,509 |
-51,5884 |
1,29749E-02 |
178 |
1067,43 |
188,442 |
-52,2966 |
1,31129E-02 |
179 |
917,765 |
187,406 |
-52,9976 |
1,32529E-02 |
180 |
767,558 |
186,398 |
-53,6912 |
1,33949E-02 |
181 |
616,837 |
185,418 |
-54,3772 |
1,35391E-02 |
182 |
465,632 |
184,463 |
-55,0555 |
1,36852E-02 |
183 |
313,971 |
183,531 |
-55,7259 |
1,38334E-02 |
184 |
161,882 |
182,621 |
-56,3883 |
1,39837E-02 |
185 |
9,39569 |
181,732 |
-57,0426 |
1,41360E-02 |
2
Vous établirez ou adapterez les équations générales du mouvement d'un lanceur, avec les notations suivantes et un nombre minimum d'inconnues de 4:
V : Vitesse relative à l'atmosphère
b
: Pente de la vitesse relative (positive sous l'horizontale)Z : Altitude sol
X(t) : Distance horizontale parcourue depuis la verticale du point de rentrée.
Notant Y le vecteur de R4 de composantes VR ,
b , Z , X , il vient le système différentiel suivant, du premier ordre et de la forme générale:w
M désigne la vitesse de rotation axiale de la planète, dont le jour sidéral est de 24 h 37 mni est l'incidence ( i > 0 vol sur le ventre, i < 0 vol sur le dos ).
Vous devrez modéliser l'atmosphère standard, en numérisant la documentation de la NASA
Vous pourrez comparer au graphe ci-dessous.
Vous pouvez aussi trouver des fonctions approchées en recherchant par exemple des lois exponentielles par morceaux:
3
°) PREMIER TRAVAIL DU PROJET :Les données sont suffisamment précises pour nous permettre de retrouver le coefficient Cd annoncé à la valeur 1.6
Donc grâce à la première équation du système différentiel, dans un tableur( par exemple ) vous recalculez la valeur de Cd par la loi de la traînée ( en faisant attention à
b )Vous serez étonné du résultat.
Ensuite, comme les données sont à la seconde près pour le temps et d'une grande précision pour Z, V et b, vous pouvez vérifier la relation du taux de descente calculé de 2 manières :
Vous ne manquerez pas de constater une brutale amélioration du résultat après 130 s de vol. Pourquoi ? C'est curieux.
Le vol était-il balistique ?
Si oui, la portance devrait être nulle et donc le mieux est de vérifier que la finesse f = Rz/Rx est nulle, aux approximations près.
Toujours en tableur, vous calculer à la fois Rx, la traînée et Rz la portance en vous servant de la deuxième équation qui donne la dérivée de la pente. Attention au signe.
Vous constaterez que pour la partie principale du vol la finesse ainsi calculée, ne dépasse pas 0.05. De plus on trouve éventuellement un signe + pour i, donc s'il y avait une toute petite portance, elle serait vers le "haut".
III RECOUPEMENT DU VOL NASA PAR VOS CALCULS :
Vous adoptez les conditions initiales du vol réel :
MARS ATMOSPHERIC PROBE ENTRY TRAJECTORY : Entry Speed 7.1 km/s, entry angle 16 degrees, mass 300 kg , hypersonic Cd 1.63, cross-sectional area 3.1416 m².
Vous intégrez le système différentiel fournissant Vr Z
b X , vous devriez retrouver les résultts avec une grande précision.VALIDATION EVENTUELLE DE L'ALGORITHME D'INTEGRATION
:Comme les équations du système sont exactes, si vous supprimez l'atmosphère ( Cx = Cz = 0 ) et si vous "bloquez" la planète en rotation propre, alors vous avez un mouvement képlérien.
Donc ayant choisi, Vr, b, Z, vous calculez les constantes E et K puis a, e, ...le temps de vol depuis le point de départ, puis par les conservations de E et K, vous trouvez Ve vitesse d'arrivée sol, et la pente d'arrivée sol.
Le calcul "à la main" devrait recouper l'intégration avec une grande précision.
IV RESULTATS ATTENDUS :
Vous gardez le même véhicule et vous fournissez :
1°) Pour le vol NASA: Les graphes de Z(t), X(t), Vr(t), Rx(t), le diagramme d'accélération
G(t), la trajectoire Z=Z(X)2°) VARIATIONS :
Il est intéressant d'étudier le rôle de la finesse f, et donc fournissez pour des vitesses d'entrée de 4, 6, 8, 10, 12 km/s :
- Un graphe multiple montrant les trajectoires Z=Z(X) pour f variant de à à 0.6
Eventuellement vous commentez la possibilité de rebonds ou éventuellement d'évasion après rebond.
- Un graphe multiple montrant l'influence de la finesse sur l'accélération en fonction du temps pour f variant de à à 0.6
- En balistique, l'influence de la vitesse d'entrée Vr sur le niveau d'accélération maximum, pour un angle de rentrée donné. Vous tracerez donc le graphe
Gmax =F(Vr), pour Vr variant de 3 à 11 km/s.- Pour un véhicule de rentrée, un paramètre important est K = SCx/M, pour la capsule Apollo il prenait une valeur de l'ordre de 0.0032 MKSA et une finesse maximum de 0.35. Vous reprenez certaines des études plus haut, pour notamment étudier l'influence de K sur la capture ou la limite humaine de 10g. Vous rechercherez des informations sur APOLLO et ses caractéristiques massiques et aérodynamiques.
Z < 5 km |
Ouverture des parachutes. |
V< 400 m/s |
Z = 130 km Entrée ou sortie de l'atmosphère ( rebonds éventuels avec une trajectoire képlérienne ).
Z = 60 km altitude effective de rentrée. Au dessus de cette altitude les décélérations sont négligeables.
3°) FIN DU VOL :
Lorsque la vitesse tombe en dessous de 300 m/s, des parachutes sont ouverts. Naturellement seule une traînée plus importante est créée, la portance est nulle. Vous ferez donc f=0 dans vos calculs.
Le système de freinage est constitué de 3 parachutes de rayon 12 m chacun avec un Cx moyen de 1.35.
Le nouveau coefficient de forme avec les parachutes est SCx/M=0.141 environ.
En fonction de la VARIABLE DE CHAPMAN
:De nombreuses publications utilisent pour le tracé des courbes une variable u appelée variable de
CHAPMAN ( chercheur qui s'est beaucoup intéressé aux problèmes de rentrée). Cette variable est sans dimension est le quotient de la vitesse absolue horizontale et de la vitesse absolue d'orbitation circulaire à l'altitude de la capsule.Vous éviterez l'abus de tableaux de résultats , ceux que vous fournirez seront les plus significatifs et soigneusement annotés.
DOCUMENTS FOURNIS : Ci-dessous deux graphiques concernant une rentrée en atmosphère terrestre
IV LA MISSION PATHINFINDER
( Lecture et travail ):NB : Articles recopiés intégralement sur Internet
1°) LA SONDE ET LA MISSION :
Mars Pathfinder a été lancée le 3 décembre 1996 à 10h58, par une fusée Delta II 7925. Ce petit engin de 850 kg est parti avec un mois de retard sur la sonde Mars Global Surveyor, mais il est arrivé bien avant sa compagne, au terme d'un voyage de 7 mois. Le 4 juillet 1997 à 9h59 heure française, la sonde (qui ne pesait pas plus que 280 kg) s'est posée sur Mars, 20 ans après les atterrisseurs des sondes Viking ! La particularité de la mission Pathfinder, c'est que l'atterrissage n'a pas nécessité une mise en orbite autour de la planète (rentrée directe dans l'atmosphère). De plus, c'est la première fois qu'un robot se déplace sur la surface de Mars.
Le JPL sur le site de Pathdinder, donne les paramètres orbitaux du transfert héliocentrique:
a = 193216365 km
e = 0.236386
i = 0°.104
w
= -9°.638W
= 81°.221Puis le 1 mars 1997 à 0h ( JD = 2450508.5 ) les valeurs angulaires de position:
q
= 85°.152 ou M = 58°807 et tp = 7566837.2 s :2°) L'ATTERRISSAGE DE PATHFINDER :
L'approche finale a commencé par l'éjection de l'étage de croisière à 8500 km d'altitude, 35 minutes avant l'atterrissage. La capsule de descente, composé d'un bouclier thermique, de la sonde elle même et d'un bouclier arrière supportant le parachute et les rétrofusées entame sa chute vers la surface martienne. A 130 km d'altitude et 30 minutes plus tard, la vitesse de Pathfinder est de 7,5 km/s. C'est à ce moment que la sonde rentre véritablement dans l'atmosphère martienne. Son bouclier thermique de 2,65 mètres de long (hérité de Viking) la freine alors, tout en la protégeant d'un échauffement excessif. L'angle de rentrée est de -14,2°, et la vitesse tombe à 400 m/s. La sonde ralentit encore à 65 m/s lorsque le parachute s'ouvre deux à trois minutes après la rentrée dans l'atmosphère. Celui ci, d'un diamètre de 11,5 mètres, est éjecté par mortier alors que l'altitude n'est plus que de 9,4 km. Le bouclier thermique est lui même éjectée dix secondes plus tard, à 8,3 km de la surface. A 6,6 km, la sonde est larguée au bout d'un filin de kevlar de 30 mètres de long, fixé sur le bouclier arrière. Le radar altimétrique se met en marche et détecte le relief à 1500 mètres d'altitude. 8 secondes avant l'arrivée au sol, à 300 mètres d'altitude, une enveloppe protectrice composée de gros ballons (quatre grappes de six ballons chacune formant un tétraèdre de 5 mètres d'envergure) se gonfle autour de la sonde. Les trois rétrofusées à poudre s'allument à 50 mètres du sol, et la sonde semble pratiquement s'arrêter en plein ciel. A 15 mètres au-dessous du sol, le filin est coupé et la sonde termine sa descente vers Mars en chute libre, tandis que le bouclier arrière remonte vers le parachute sous l'impulsion des rétrofusées. Il s'agit d'entraîner celui ci le plus loin possible, pour éviter qu'il ne retombe sur la sonde. Pathfinder, protégée par ses "airbags", touche le sol. Elle va rebondir un certain nombre de fois avant de s'immobiliser définitivement. Les pétales s'entrouvrent, tandis que les ballons se dégonflent et sont tirés vers l'engin pour aller se loger sous les pétales. Un système particulièrement ingénieux permet à l'engin de se redresser s'il s'est immobilisé à l'envers. Il faudra trois quart d'heures aux ballons pour se rétracter complètement. La station est totalement déployée trois heures après. Sojourner est prêt à partir ...
QUESTION
: What is the drag coefficient for the Mars Pathfinder's heat shield and parachute? How many G's will Pathfinder pull during entry? ANSWER from Robert Manning on July 2, 1997: The entry vehicle (at supersonic speeds) has a drag coefficient of about 2. At subsonic velocities whith the vehicle under, the the drag coefficient of the parachute is about 0.47. During atmospheric entry the peak deceleration may be as high as 20 Earth gees.3°) DOCUMENT
:0
L'article indique la date de départ de la terre , le 4/12/1996 9h59et celle d'arrivée sur mars le 4/07/1997.à 19h07 Connaissant les positions de la terre à ces 2 dates et la durée du voyage, nous avons là à faire à un problème de LAMBERT. Nous pouvez donc le résoudre et vous le ferez de 2 manières, grâce à 2 routines du répertoire MECASPA/ROUTINES/EXE/
a) Routine DEUX_PTS.EXE:
Cette routine ne demande que les planètes dates et heures( vous oublierez les heures et prendrez 0 h), vous en déduirez en particulier la valeur du C3 d'arrivée.
b) Routine LAMBERT1.EXE:
Cette routine demande les dates et heures( vous oublierez les heures et prendrez 0 h), les coordonnées des points de départ et d'arrivée, que vous irez chercher dans les routines du bureau des longitudes :
Soit en exécutant planeph.exe du répertoire MECASPA/EPHEMERI
Soit en téléchargeant ephembdl.zip pour utiliser planeph.exe
Soit en allant directement sur le site du BDL
vous retrouverez la valeur du C3 d'arrivée, plus précise.
c) RETROUVER LA VALEUR DE LA VITESSE D'ENTREE DANS L'ATMOSPHERE :
Vous recalculez la norme de la vitesse absolue d'entrée dans l'atmosphère martienne, à 130 km du sol martien. Nous ne pourrons pas retrouver la vitesse VR relative, par manque d'informations sur le point d'entrée et le plan de rentrée. Néanmoins vous pourrez donner la fourchette extrême ce cette vitesse compte tenu de la vitesse d'entraînement de mars à cette altitude suivant qu'elle vient en addition ou soustraction de la vitesse absolue.
Donc nous adoptons une rentrée équatoriale, dans le sens de la rotation martienne, et comme les angles d'entrée sont petits, on peut déduire tout simplement la vitesse d'entraînement de la vitesse absolue, pour obtenir la vitesse relative d'entrée.
NB: La période sidérale de Mars est de 24.61 heures.
V CONNEXIONS INTERNET
:Extraordinaire site, très complet ( en français ):
http://www.nirgal.net/Plaque tournante vers une multitude de sites sur mars :
http://www-mars.lmd.jussieu.fr/mars/link_mars.htmlPour des missions du JPL de la NASA, vous contactez le site immense de la NASA
http://www.nasa.gov/Si la mission PATHFINDER vous intéresse, notamment, le voyage interplanétaire, vous trouverez un grand nombre de renseignements techniques sur la trajectoire à l' URL suivante :
http://mars.sgi.com\mpf\mpftechtraj.html
et les généralités à
:http://mars.sgi.com/ops/sol13.html
Renseignements sur le climat martien :
http://www-mars.lmd.jussieu.frDONNEES NUMERIQUES NASA :
http://pds.jpl.nasa.gov/ ====> Choisir ScientistsVI VERIFICATIONS POSSIBLES :
Si vraiment, vous en avez besoin, pour vous rassurer, vous pouvez vérifier l'allure de vos courbes grâce aux graphes :
graphe1 et graphe2GUIZIOU Robert , projet nouveau de décembre 2005