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Physique

Avant d'entrer dans les détails, quelques faits de physique. À savoir, le centre de gravité, le point d'action et comment ils influent.

Centre de gravité, point d'action et influence de la symétrie nécessaire à votre fusée.

Le centre de gravité est un point dans votre fusée où elle est en parfait équilibre. C'est le point où, si la fusée reposait sur ​​ce celui-ci, vous pourriez lui donner un coup de pouce qu'elle suivrait librement sans que la gravité ai son mot à dire, parce qu'à gauche, à droite, en haut, en bas, devant et derrière, tout a la même masse de façon parfaitement équilibrée sur ce seul point. C'est toujours un point unique dans l'espace, et même si vous avez une fusée de forme très étrange, ce point est quelque part à l'intérieur de votre fusée. Malheureusement, ce point n'est généralement pas le point d'action, c'est à dire le point où vos moteurs créent une poussée. Si c'était le cas, les déplacements seraient doux, puisque nous pourrions pousser la fusée où et comment nous le souhaiterions (en ignorant la résistance de l'air, bien sûr).

Donc la meilleure chose que nous pouvons faire est de mettre ce point d'action "derrière" le centre de gravité et le point de son vecteur d'action vers le centre de gravité. Ou, plus simplement, mettre le moteur derrière la masse et la poussée dans la direction opposée. Ce qui semble évident au premier abord requiert quelques prérequis. Premièrement, votre point d'action, autrement dit la somme vectorielle de vos vecteurs de poussée, pour vous autres tatillons, doit être aligné avec le centre de gravité. En d'autres termes, votre fusée doit être symétrique pour être stable. Vous pouvez essayer par vous-même. Prenez un balai. Mettez l'extrémité du manche sur votre main, avec la brosse en l'air, et vous remarquerez que vous pouvez le balancer. Vous remarquerez également deux choses: premièrement, il est facile de le balancer à partir du moment ou vous restez concentré dessus, et il peut très facilement basculer sur le côté, et si c'est le cas il tombe RAPIDEMENT. Et deuxièmement, il est étonnamment plus facile de balancer le balai avec la brosse vers le plafond plutôt que de l'avoir posé sur votre main.

Si vous souhaitez maintenant mettre beaucoup de pression sur ce manche, vous pourriez pousser ce balai vers le haut sans qu'il ne tombe sur le côté (croyez-moi, cela fonctionnerait). C'est essentiellement le fonctionnement de notre fusée. Maintenant attachez quelque chose sur le côté du balai et regardez comment vous vous en sortez. Si vous essayez d'équilibrer le balai de la même façon, il va tomber sur le côté où vous y avez accroché quelque chose. Sauf si vous le maintenez à un angle de l'autre côté... ce qui serait étrange si c'était une fusée, n'est-ce pas ? Si vous souhaitez pousser ce balai vers le haut, il ne serait pas seulement tombé sur le côté, il aurait commencé à tourner autour de l'axe des x et fait des "vrilles"... ou se serait écrasé, ce qui est plus probable puisque que la gravité joue aussi bien son rôle dans ce jeu. Donc la première chose à garder à l'esprit est de garder votre fusée symétrique, au moins au point où le centre de gravité est toujours au-dessus du point combinée d'action (si vous avez plus d'un moteur, vous avez plus d'un point d'action, qui peut se résumer à un total de points d'action et un vecteur d'action). En termes physiques, ce point d'action doit être aligné avec le centre de gravité, avec son vecteur aligné avec l'axe hypothétique qui existe entre le centre de gravité et le point d'action. En termes plus simples, le point où votre fusée serait en équilibre doit être derrière le point où la force combinée des moteurs pousse, et les moteurs doivent pousser vers ce centre de gravité, c'est à dire les échappements de poussée doivent s'en éloigner....

Cela signifie aussi que les poussées "intérieures" stabilisent la fusée, aussi longtemps que la poussée est égale de tous les côtés. Cela oblige la fusée à rester dans sa direction actuelle, mais cela signifie aussi que vous perdez du carburant puisque vos moteurs poussent l'un "contre" l'autre. Pensez-y comme le frottement des roues de direction des voitures.

Masse vs. poids

Votre poids est directement lié à votre masse. Maintenant, strictement parlant, le poids est défini comme la force d'un objet en fonction de la gravité. Mais la gravité tire chaque point de la masse de votre fusée avec la même force, rendant l'accélération uniforme dans l'ensemble du vaisseau. Dans l'espace, ne tournant pas et ayant les moteurs coupés, aucune autre force n'agit, c'est donc le concept de l’apesanteur. Je ne suis pas certain que ce soit une bonne analogie, mais imaginez que vous êtes dans un avion réellement stable, volant à altitude et à vitesse constante. Vous ne vous rendez pas compte si vous avancez. Même chose avec la gravité, excepté que vous ne vous rendez pas compte si vous accélérez.

Ce qui est perçu comme le poids est causé par d'autres forces, tel que la friction d'une atmosphère, la poussé de vos moteurs ou la force de contact lors du décollage. Considérant une piste de décollage plane, la force de contact est exactement la même que la gravité mais opposée, sinon vous ne décollerez pas. La gravité vous retient au sol, la force de contact est le sol vous poussant vers le haut. Mais elle n'agit pas uniformément sur chaque point de masse comme la gravité le fait, c'est seulement le sol qui pousse le bas du vaisseau, alors la force doit être répartie à travers les éléments structurels du vaisseau, et ce qui est perçu comme le poids. Même chose avec la poussée, ou les forces aérodynamiques.

Mais même si vous êtes en apesanteur, vous n'êtes pas sans masse.

Pour couper court aux problèmes théoriques, plus vous êtes lourds, plus vous devez dépenser de l'énergie pour changer de vitesse et de direction. Plus votre fusée est massive, plus vous devrez consommer de carburant pour la rendre rapide (ou plus lente !). Dans ce jeu également, comme quand vous êtes surchargés, la physique joue contre vous.

Cela signifie aussi qu'une masse devient "plus lourde" si elle est lancée à plus grande vitesse. Plus de vitesse n'augmente pas votre masse (à moins d'approcher la vitesse de la lumière, mais ignorons cela pour le moment), mais la tension (perçue comme le poids) augmente avec la masse. Cela s'appelle la force G. Sur Kerbin, nous ressentons 1G. (1G est défini comme l'accélération égale à la gravité au niveau de la surface de Kerbin qui est environ de 9.81 m/s²).

Comment cela affecte votre fusée ? Bien, cela l'affecte doublement. Premièrement, plus vous avez de masse, plus vous devrez consommer de carburant pour mettre cette masse en orbite. C'est pourquoi plus grand ne signifie pas toujours meilleur. Nous détaillerons cela en détail plus tard. Le 2ème facteur est que plus vous accélérez votre fusée, plus vous mettez de tension sur ses éléments. Certains éléments sont capable de supporter cette tension. D'autre pas. C'est, en général, plus facile de construire une fusée à élévation lente plutôt qu'une qui passe en orbite à 9G ou plus, pas seulement parce que les passagers n'aime pas vraiment avoir un camion assis sur leur thorax (ce qui n'est pas vraiment un problème en soit), maintenant le problème est principalement que l'accélération appliquée à la fusée force sur les éléments qui les maintiennent unis jusqu'à leur limite de rupture. Ce qui signifie que vous devez ajouter des renforts (entretoises), qui ajoutent de la masse, qui consomment plus de carburant.

Ratio poussée-poids (thrust-weight ratio)

En gros, le ratio poussée-poids est le résultat de la division de votre poussée (en newtons) par votre poids (en kilogrammes fois l’accélération, soit en kg.m/s² donc… aussi en newtons). La poussée est ce qui vous fait monter, le poids est ce qui vous maintient au sol. Et si poussée > poids (votre ratio poussée-poids est supérieur à 1), vous montez. Si poussée < poids (ratio< 1) vous pourriez pousser vos moteurs à fond que vous ne bougeriez pas d’un pouce. Pour info, les moteurs du premier étage de la fusée Saturn V avaient un ratio de 94,1. Autrement dit : ils pouvaient lever 94 fois leur poids. Record à battre !

Qu’est-ce que ça signifie pour notre véhicule spatial ? En gros, que quoi qu’on mette comme moteurs derrière notre vaisseau, la poussée doit dépasser le poids total du véhicule. Ce qui veut dire que si vous avez plusieurs étages, les étages supérieurs ne sont que du poids mort au départ. Oui, ils contiennent des moteurs – et donc de la poussée – mais ils ne sont pas actifs au départ et ne participent donc pas à la poussée initiale. La poussée de départ est uniquement la poussée des moteurs actifs, et non la puissance que la fusée peut éventuellement déployer au total.

Notez que par définition, tout moteur-fusée a un ratio supérieur à 1. Les moteurs au ratio < 1 doivent bénéficier de l’effet aérodynamique du vaisseau pour décoller. La question est donc : le poids mort des étages supérieurs maintient-il néanmoins ce ratio au-dessus de 1 ? Le ratio de 94,1 des moteurs de Saturn V ne signifie pas que le module Apollo subissait 100 g lors de l’insertion en orbite. Ça signifie qu’il y avait une énorme fusée montée sur le moteur, ce qui fait que la poussée suffisait juste à monter tout le bastringue en orbite.

Supposons que Kerbin ait une gravité d’environ 10 m/s² en surface (très proche de la Terre), un moteur-fusée de poussée maximale de 200 peut donc lever 20 unités de masse (soit 8 réservoirs à carburant liquide). Si cette fusée est composée de 7 réservoirs, d’un moteur et d’un bloc de commande (masse totale :7*2,5 + 2 + 1 = 20,5) elle ne bougera pas du sol, mais avec 6 réservoirs, elle décollera. Donc en construisant votre fusée, additionnez la masse de tous ses composants, multipliez-la par 10, divisez par la poussée des moteurs et voyez si ce résultat est supérieur à 1. Attention de bien diviser par la poussée des moteurs réellement actifs dans la séquence de vol considérée, et pas par la poussée de tous les moteurs de la fusée (comprenant ceux des étages supérieurs). Plus votre ratio poussée-poids est élevé, plus vite votre fusée va prendre de l’altitude. Sachant que les moteur ont tendance à surchauffer (overheat) quand ils travaillent à la limite du ratio (~1), essayez de garantir un ratio d’au moins 1,7 pour votre premier étage. Ma fusée munaire a un premier étage de ratio 2,2, ce qui est bien suffisant mais pas excessif (les g endurés par la structure restent acceptables).

Gardez aussi à l’esprit que votre fusée consume son carburant lors de l’ascension. A chaque seconde, les réservoirs se vident, les allégeant. Moins de poids signifie un ratio plus grand, donc une accélération plus grande. De plus, la force de gravité diminue avec le carré de la distance, ce qui rend l’attirance de Kerbin moindre à chaque seconde. Mais jamais autant qu’on le souhaiterait…

Quand larguer les étages ?

Larguer les étages vous permet de vous débarrasser du poids mort, les étages consumés ne servant plus qu’à alourdir inutilement la structure. Moins de masse signifie moins d’énergie nécessaire pour déplacer la masse restante. Le choix le plus intuitif serait de faire le plus d’étages possible afin de transporter le moins de poids mort possible. Ce n’est néanmoins pas la bonne stratégie.

Séparer votre fusée en étages implique que vous emportiez des équipements de séparation et, si vous utilisez du carburant liquide, un autre moteur. Ce matériel représente un poids supplémentaire conséquent. Un booster pèse 0,36 unités de masse, le séparateur pour le larguer pèse 0,4. Un réservoir vide pèse 0,3. Le moteur additionnel et le séparateur pour le larguer pèsent 2,8.

Il vous faudra trouver un compromis. Il n’y a pas de règle bien établie qui fixe la limite entre larguer un étage ou ne pas le faire. Tout dépend du temps pendant lequel vous devez traîner le poids mort qu’il représente. S’il n’y a que quelques secondes entre la fin de vie du booster et le moment où l’étage a brûlé tout son carburant, il peut être plus intéressant de garder les boosters attachés plutôt que de trimbaler le poids de l’équipement de séparation depuis le départ. Par contre, ça paye de les larguer plutôt que de devoir les traîner avec vous tout le reste du vol. Ça dépend bien sûr si l’étage inférieur vous empêche d’allumer l’étage suivant. Gardez en tête que les étages supérieurs durent bien plus longtemps que les premiers étages. En effet, vous ne brûlerez jamais plus de carburant que lors de votre montée en orbite, car ça nécessite de laisser vos moteurs allumés à pleine puissance en permanence. J’ai trouvé comme compromis d’avoir 4 ou 5 réservoirs pour le premier étage, et 1 ou 2 pour les étages supérieurs.

Le plus de poussée possible en bas

On remarque facilement que plus on applique de poussée au départ, moins on a de poids mort à traîner par la suite. Ca n’a pas beaucoup de sens d’avoir beaucoup de poussée dans les étages si vous n’en avez pas assez au départ pour quitter le pas de tir. D’un autre coté, comme signalé plus haut, plus vous mettez de poussée plus votre structure doit encaisser de g au décollage, ce qui peut l’amener rapidement au point de rupture. Sans mentionner la résistance de l’air qui est évidement la plus grande dans les premières minutes d’ascension.

Traînée (drag)

Parlons un peu de traînée. J’espère ne pas me tromper car c’est assez difficile de savoir comment cet aspect marche réellement. En gros, chaque pièce de votre vaisseau oppose une résistance à l’air. Ça n’a plus aucune importance une fois en orbite (les satellites ont rarement une forme aérodynamique) mais c’est un problème majeur avant d’avoir atteint la barrière magique des 70 000 mètres. Je n’ai que peu d’infos sur comment la traînée agit réellement sur le vaisseau dans KSB. Je peux seulement dire qu’elle est là et que vous devriez probablement en tenir compte. Par exemple, construire des énormes fusées très larges et les bourrer de boosters allumés en même temps serait une mauvaise idée. Surtout si vous voulez faire voler cette fusée à grande vitesse.

Note : la forme de la fusée n’a pas d’importance. Seule compte l’addition des valeurs de traînée de chaque pièce (sauf si vous utilisez Ferram Aerospace Research). C’est pourquoi la structure en asperge (asparagus) fonctionne si bien (dans mille ans les gens lirons ça et se demanderont quelle est cette histoire d’asperges volantes !).

Où a-t-on besoin du plus de puissance ?

Encore une réponse évidente : du sol à l’orbite. A aucun autre moment du vol vous n’aurez à dépenser plus d’énergie que lors de la phase de mise en orbite. Aller de l’orbite de Kerbin à la Mun, amunir et revenir sur Kerbin pour atterrir ? Facilement faisable avec un sixième du carburant qu’il vous a fallu pour vous mettre en orbite. Je n’exagère pas. Rappelez-vous la fusée Saturn V qui propulsait les vaisseaux Apollo vers la Lune : de cette énorme fusée de 111 m de haut, seule une toute petite partie se posait effectivement sur la Lune, tout le reste étant largué en chemin. Sur les 2 800 tonnes de la fusée (dont la plus grande partie représente le carburant), seules 120 tonnes subsistaient lors de l’injection trans-lunaire. Il se passe la même chose ici : vous allez consommer 80 %de votre carburant et larguer sensiblement la même proportion de votre vaisseau avant d’avoir atteint la Mun.

Longueur ou largeur ?

De préférence, ni l’un ni l’autre. Construire une très longue fusée est à peu près aussi mauvais qu’en d’en construire une très large, et ce pour de multiples raisons.Les larges fusées tendent à être très lourdes à leur base afin de maximiser la poussée au décollage, ce qui les rend difficiles à contrôler et elles tanguent facilement. De plus, si la poussée n’est pas parfaitement équilibrée (ce qui n’est jamais le cas), on en perd facilement le contrôle et le tangage et le lacet les fait retomber au sol. Je les suspecte de créer énormément de traînée, ce qui signifie une perte substantielle de puissance due à la résistance de l’air. Les larges fusées nécessitent généralement un SAS musclé pour les empêcher de tournoyer,et elles ont tendance à basculer jusqu’à orienter leur poussée vers le sol.Pensez à l’exemple du balai de tout à l’heure.

Les longues fusées sont très dures à incliner et à redresser, ce qui les rend très difficiles à contrôler et très lentes en rotation. Elles souffrent généralement d’un sommet trop massif, surtout lorsque la plupart du carburant des premiers étages a été consommé, ce qui crée des fusées qui ont tendance à piquer du nez et ne peuvent être redressées qu’à grand renforts de RCS. Les longues fusées nécessitent souvent des ailes ou ailettes pour rester contrôlables mais restent lentes à réagir et demandent de bonnes aptitudes de pilote. Elles gardent généralement assez bien leur trajectoire tant qu’elles sont équilibrées et soumises à beaucoup de poussée, mais dès qu’on veut les incliner ou les redresser, elles sur-réagissent facilement, surtout en vol horizontal lorsque le centre de masse est proche du nez de l’appareil (ce qui est généralement le cas là la fin de la phase ascensionnelle, avec le premier étage en fin de vie et pas mal de réservoirs vides attachés en queue). Néanmoins, je préfère les longues fusées aux larges.

Alors finalement, quel est le meilleur design ?

De tous ces éléments, on peut tirer quelques règles qui nous disent quelles sont les bonnes manières de concevoir une fusée, et quelles sont les mauvaises.

C’est une bonne chose d’allumer au décollage tous les moteurs qui peuvent l’être. Sans ça, ils ne sont que du poids mort et doivent être hissés bien haut avant d’être efficaces. Si cela vous donne trop de poussée et que l’accélération détruit votre fusée (trop de g), réduisez plutôt la puissance de vos moteurs (à ~75 %). Sachez que c’est assez inefficace de dépasser les 200 m/s sous les 10 000 mètres. Lorsque vous avez dépassé la partie la plus dense de l’atmosphère, vous pouvez pousser les moteurs au maximum. Si vous avez une fusée très massive, il peut être une bonne idée de concevoir un premier étage constitué uniquement de moteurs à carburant solide : ils sont très légers et même avec un découpleur, leur ratio poussée-poids reste meilleur que les moteurs à carburant liquide. Leur principal défaut – ne pas pouvoir contrôler leur poussée ni les éteindre – ne constitue pas un gros problème pour les premiers 20 000 m puisque vous devez de toute façon atteindre cette altitude avec les moteurs à fond. Néanmoins ne mettez pas trop d’espoir dans cette technique : en ajoutant deux étages de boosters solides sous le premier étage à carburant liquide de ma fusée, je n’ai économisé qu’un demi-réservoir une fois en orbite. Oui, un demi-réservoir est tout ce que vous économisez en plaçant deux boosters solides sous chaque moteur à carburant liquide.

Même si les boosters solides semblent attirants, ils vous empêchent d’utiliser la technique hautement efficace de l’ « asperge » (asparagus). L’idée générale de l’asperge est de vider les réservoirs l’un après l’autre plutôt que tous en même temps, et de les larguer au fur et à mesure.

Une fusée massive demande plus de SAS pour rester manœuvrable. Un seul module ASAS est nécessaire, en mettre plus ne fait qu’ajouter du poids. La différence entre SAS et ASAS est que l’ASAS est plutôt un pilote automatique, tandis que le SAS est plutôt un gyroscope. Autrement dit, si le vaisseau est incontrôlable, l’ASAS ne pourra rien y faire. Si le véhicule possède des ailes (ce qui est recommandé pour les grandes fusées), vous pourriez éventuellement vous passer de modules SAS.

Votre fusée doit s’affiner vers le haut. Vue de loin, elle doit ressembler à une goutte de pluie ou une pyramide très raide, forme donnée par les boosters radiaux du premier étage et par l’étage supérieur à moteur unique. Les fusées avec un nez trop lourd sont souvent très dures à manœuvrer, leur centre de masse étant loin du point d’action (là où la poussée s’applique). Plus il est loin, plus le bras de levier est important, plus vous aurez besoin d’ailes et de beaucoup d’énergie pour maintenir la fusée sur la bonne trajectoire.

La plupart du carburant est brûlé lors de la première phase d’ascension. Une fois en orbite,même l’injection trans-lunaire ne représente qu’une petite quantité de carburant en comparaison. Rien n’empêche de concevoir un gros premier étage très puissant et assez peu manœuvrant, puis un second étage beaucoup plus précisément contrôlable avec beaucoup moins de carburant. Essayez plusieurs techniques de design. La plupart du temps, lors des premiers 20 000 ou même 40 000 mètres d’ascension, la seule nécessité est de simplement garder le nez de la fusée pointé vers le haut.