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Projet Orion
Vue d'artiste d'un vaisseau Orion selon les principes de conception de la NASA.
Vue d'artiste d'un vaisseau Orion selon les principes de conception de la NASA.
Pour le projet homonyme de balai laser, voir Balai Laser.
En 2006, la NASA a décidé de réutiliser la désignation Orion pour son concept de nouveau vaisseau habité d'exploration spatiale, précédemment appelé Crew Exploration Vehicle (Orion est le nouveau type de vaisseau habité d'exploration spatiale de la NASA, qui est destiné à remplacer la navette spatiale. Il fut officiellement présenté par l'agence américaine au public le 19 septembre 2005 sous...).

Le Projet Orion (Le Projet Orion était la première étude de conception d'un véhicule spatial mû par propulsion nucléaire pulsée, idée proposée par Stanislaw Ulam en 1947. Le projet...) était la première étude de conception d'un véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.) spatial mû par propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) pulsée, idée proposée par Stanislaw Ulam en 1947. Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) initié dans les années 1950, était mené par une équipe d'ingénieurs et de physiciens de General Atomics, comprenant quelques célébrités telles que le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien...) Theodore Taylor. Sur la demande de Taylor, le physicien et romancier Freeman Dyson quitta pendant une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) ses travaux universitaires en Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni. Elle est de loin la plus peuplée, avec 50 763 000 habitants (en 2006), qui...) pour diriger le projet. Ce fut le premier groupe de réflexion de la sorte depuis le projet Manhattan (Manhattan est l'une des cinq circonscriptions (borough) de la ville de New York (les quatre autres étant The Bronx, Queens, Brooklyn et Staten Island). La circonscription de Manhattan se superpose avec le...), la plupart des membres du projet Orion déclarent s'en souvenir comme les meilleures années de leur vie (La vie est le nom donné :). À de nombreux égards, l'humanité n'a jamais été aussi près qu'alors des voyages spatiaux à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le...).

En se basant sur l'énergie nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), Orion permettait d'obtenir à la fois une forte poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) et une importante impulsion spécifique (L'impulsion spécifique (notée généralement Isp), dans le domaine de l'astronautique, est le quotient de deux grandeurs, dont l'une est la poussée d'un propulseur, et l'autre...), le Graal de la propulsion spatiale (Cet article présente le concept de propulsion spatiale, c'est-à-dire tout système permettant de déplacer un véhicule spatial que ce soit du sol vers l'espace ou bien directement dans l'espace pour des changements d'orbite terrestre ou des...). Les performances offertes dépassaient de loin celles des meilleures fusées conventionnelles ou nucléaires alors à l'étude. L'objectif était de permettre les voyages interplanétaires à bas coût. Ses partisans en ressentaient les forts potentiels, mais le projet perdit son soutien politique à cause des inquiétudes au sujet des contaminations provoquées par la propulsion. Le traité d'interdiction partielle des essais nucléaires de 1963 est considéré comme le coup de grâce asséné au projet.

Contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les...)

Stanislaw Ulam et Cornelius Everett comprirent que les explosions atomiques ne pouvaient être confinées dans une chambre de combustion (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et de température brusques, dans laquelle on déclenche volontairement une combustion...). Deux tels projets avaient brièvement existé[1], mais leurs performances théoriques étaient si faibles qu'ils ne dépassèrent jamais le stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.) de la table à dessin.

En 1954, au cours de la série d'essais nucléaires opération Castle dans le Pacifique, une expérience conçue par Lew Allen prouva indirectement que les explosions nucléaires pouvaient être utilisées comme moyen de propulsion. Deux sphères d'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de...) revêtues de graphite et contenant des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) à irradier étaient suspendues à proximité de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) testée. Après l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de...), les deux sphères furent retrouvées plus loin et intactes, démontrant qu'une structure bien conçue pouvait résister au feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.) nucléaire. Cette expérience fut renouvelée plusieurs fois dans l'opération Teapot dans le désert (Le mot désert désigne aujourd’hui une zone stérile ou peu propice à la vie, en raison du sol impropre, ou de la faiblesse des précipitations (moins de 250 mm par an).) du Nevada.

La campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de milieu urbain. La campagne est...) d'essais nucléaires opération Plumbbob permit de revérifier accidentellement la validité du principe lors du tir Pascal B du 27 août 1957[2]. L'explosion confinée de la charge de faible puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) a provoqué l'éjection d'une trappe en acier de 900 kg, à six fois la vitesse de libération (La vitesse de libération (aussi appelée vitesse d'évasion, vitesse parabolique, vitesse de fuite, ou vitesse d'échappement, en anglais escape velocity) d'une...) d'après les calculs du Dr. Brownlee, responsable de test[3]. La plaque ne fut évidemment jamais retrouvée, mais elle ne fut pas non plus le premier objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une...) lancé par l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère est appelé un...) dans l'espace car il est certain qu'elle fut vaporisée par friction dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :).

Conception

Conception globale du véhicule
Conception globale du véhicule

Au lieu d'une configuration chambre de combustion / tuyère (Une tuyère ou tuyère propulsive, dans le domaine de l'astronautique, est un conduit (appelé aussi divergent) de section conique (fusées de feu d'artifice) ou oblongue...), le concept d'Orion était d'éjecter des charges à fission ou à fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques,...) à l'arrière du véhicule et de les faire exploser à 60 m (200 ft), récupérant le souffle sur une épaisse plaque de poussée en acier ou aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.). D'énormes amortisseurs étagés devaient absorber l'onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à l'idée d'une transition brutale. Elle peut prendre...) du plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant...) frappant la plaque de poussée, transformant les 50 000 g subis par la plaque pendant une milliseconde en une poussée constante.

Énergie nucléaire

Le propergol (Un propergol, dans le domaine de l'astronautique, est un produit constitué par un ou plusieurs ergols, soit séparés soit réunis, pour former un mélange ou un...) d'Orion pouvait être solidaire de la charge nucléaire ou largué entre la bombe et la plaque. Des masses de polyéthylène aussi bien que les détritus été considérés comme utilisables pour transmettre une poussée.

Conception d'une unité de propulsion Orion
Conception d'une unité de propulsion Orion

Intégrée à la bombe, la forme de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...) propulsive est primordiale pour l'efficacité. L'explosion d'une bombe au cœur d'une masse cylindrique s'expand en une vague (Une vague est un mouvement oscillatoire de la surface d'un océan, d'une mer ou d'un lac. Les vagues sont générées par le vent et ont une amplitude crête-à-crête allant de quelques centimètres à 34 m (112...) de plasma plate en forme de disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.). Une bombe accolée à une masse en forme de disque engendre une vague bien plus efficace en forme de cigare qui se concentre mieux sur la plaque de poussée.

La version originale du projet prévoyait une masse accolée à une bombe dont les matériaux et la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et,...) focalisaient les rayons X et le plasma du cœur de l'explosif (Un explosif est un composé chimique défini ou un mélange de corps susceptibles lors de leur transformation, de dégager en un temps très court, un grand...) sur cette masse. La bombe classique était entourée d'un réflecteur de radiations tubulaire en uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le molybdène ou...) rempli d'un "mastic" d'oxyde de béryllium. Ce tube était ouvert à une de ses extrémités où était accolé le disque de tungstène constituant la masse propulsive. Le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) était conditionné dans un emballage permettant sa manipulation automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements théoriques les...) par un dispositif ressemblant à un gros distributeur de canettes de boisson. Le rôle du mastic dans la cavité réflectrice est de transformer le flash de rayons X en chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) (ce que le tungstène ne fait pas aussi bien que le BeO) et en onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) de choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) transmise à la masse de tungstène. Accessoirement, cette disposition protège en partie le véhicule des rayonnements gamma et neutroniques émis par l'explosion.

Les performances dépendent de la vitesse (On distingue :) des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas...) éjectés, afin de maximiser la poussée exercée sur la fusée (Fusée peut faire référence à :) par une masse donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.). La vitesse du plasma résultant de l'explosion est proportionnelle à la racine carrée (La racine carrée d’un nombre réel positif x est le nombre positif dont le carré vaut x. On le note ou x½; dans cette expression, x est appelé le...) de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) (Tc) de la boule de feu atomique. Comme cette température atteint généralement au moins 10 millions de degrés en moins d'une milliseconde, elle engendre une très grande vitesse de plasma. Néanmoins, la conception pratique doit également limiter le rayon de la zone destructive de l'explosion, ce rayon étant proportionnel à la racine carrée de la puissance de la bombe.

Une explosion atomique de 10 kilotonnes engendrerait une vitesse de plasma d'environ 100 000 m/s et une zone destructive de seulement 100 m de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère.). Une bombe d'une mégatonne produirait une vitesse de 10 000 000 m/s mais le diamètre de la boule de feu serait de 1 000 m.

Une microseconde après l'allumage (Pour s'enflammer, le mélange air-essence, un gaz contenu dans le cylindre doit subir une élévation de température permettant de porter une partie de sa masse au-dessus de sa température d'inflammation (ti-380°C).) de la bombe, le rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une...), le plasma et les neutrons générés sont à peu près contenus par l'enveloppe réflectrice en uranium et chauffent le mastic. Au bout de 2 - 3 microsecondes, le mastic transmet l'onde de choc à la masse propulsive qui se vaporise et forme une vague de plasma allongée et dirigée vers la plaque de poussée.

Au bout de 300 microsecondes, le plasma s'est refroidit jusqu'à 14 000 °C en franchissant la distance qui le sépare de la plaque de poussée, puis se réchauffe jusqu'à 67 000 °C en se comprimant contre elle. Ce regain de température entraîne une forte émission d'ultraviolets qui n'est pas interceptée par le plasma environnant, ce qui permet de ne pas surchauffer la plaque. La forme de la vague en cigare et sa faible densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme...) limitent le choc que la plaque subit.

Distribution

Le module de propulsion comprend un magasin distributeur de bombes qui sont insérées dans un canon pneumatique. Ce canon lance les unités à travers un trou de la plaque de poussée avec un intervalle de 0,8 à 1,5 secondes et à une vitesse d'environ 130 m/s. L'unité reste désarmée tant qu'elle n'a pas franchi la distance de sécurité avec le véhicule, puis une fois armée, l'explosion est commandée par un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des...) du véhicule quand toutes les conditions de synchronisation entre les éléments sont satisfaisantes.

Le magasin distributeur contient 900 bombes, ce qui est largement suffisant pour une manœuvre mais pas forcément pour l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) de la mission. Il est donc prévu de pouvoir le recharger à partir de containers externes largables.

Plaque de poussée

L'épaisseur de la plaque varie d'un facteur de 6 entre son centre et sa périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée d'un objet ou d'une...) afin que la vague de plasma, qui transfère plus de quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse d'un objet. La quantité de mouvement d'un système fait partie, avec l'énergie, des valeurs qui se conservent lors...) en son centre, imprime la même vélocité (VéloCité est un service de prêt gratuit mis en place par la ville d'Angers qui fournit aux personnes qui habitent ou travaillent à Angers des bicyclette aux couleurs de la ville.) sur toutes les parties de la plaque.

L'exposition à des détonations nucléaires répétées menace la plaque de poussée d'ablation. Cependant, les calculs et les expérimentations montrent qu'une plaque d'acier sans protection s'éroderait de moins d'1 mm. Pelliculée d'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se mélangent pas à l'eau, mais, est cependant plus...) graphitique, elle ne s'érode presque plus (cette découverte accidentelle a été faite avec une plaque testée sur laquelle il restait une empreinte digitale (Les digitales forment le genre Digitalis, environ 20 espèces de plantes herbacées classiquement placées dans la famille des...) n'ayant pas souffert d'ablation). Le spectre d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie...) du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) et de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) minimise l'échauffement. Le système d'aspersion d'huile est intégré au tube central d'éjection des unités de propulsion.

L'onde de choc atteint la température de 67 000 °C, émettant alors des ultraviolets. La plupart des éléments sont opaques à ce rayonnement, d'autant plus à la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de 340 MPa qui existe au niveau de la plaque. Cela lui évite de fondre ou de s'éroder.

Un problème qui resta irrésolu à la fin du projet était de déterminer si la turbulence créée par la combinaison (Une combinaison peut être :) du plasma propulsif et de l'ablation de la plaque pourrait gravement augmenter l'ablation ultérieure de la plaque. D'après Dyson dans les années 1960, il aurait fallu le tester avec de vraies explosions nucléaires pour le savoir ; avec les techniques modernes de simulation, cela pourrait être étudié plus finement et sans recourir à cette méthode empirique.

Un autre problème potentiel tient aux épaufrures — échardes métalliques arrachées aux bords de la plaque.

Amortisseurs

La première version de l'amortisseur (Un amortisseur est un système destiné à limiter voire supprimer les oscillations d'un objet ou à isoler un objet de vibrations par dissipation d'énergie. Les...) était de simples ballons toroïdaux concentriques et étagés. Cependant, en cas d'échec d'une des explosions, les 1 000 t de la plaque les auraient déchirés après son rebond non limité par l'explosion ratée. C'est pourquoi il a été adopté un système à deux étages possédant des fréquences propres différentes afin d'éviter les phénomènes de résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se...).

L'amortisseur primaire pneumatique devait avoir une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence...) propre égale à 4,5 fois celle des détonations. L'amortisseur secondaire mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un mouvement, une force,...), de grand débattement, devait osciller à une fréquence moitié de celle des explosions, cela permettait à la plaque de poussée d'être en position idéale à l'explosion suivante, même en cas de tir raté.

Les longues tiges des pistons amortisseurs secondaires s'avérèrent les plus difficiles à concevoir, bien que le problème n'ait pas été considéré insoluble.

Charge utile (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un...)

Poste de pilotage / véhicule d'évasion d'un Orion pour 8 passagersLes pointillés indiquent l'emplacement des coursives de passage vers le reste du véhicule
Poste de pilotage / véhicule d'évasion d'un Orion pour 8 passagers
Les pointillés indiquent l'emplacement des coursives de passage vers le reste du véhicule

Dans le cas de missions pilotées, il est nécessaire de prévoir une zone de l'habitacle protégée des radiations du moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une...) en fonctionnement, comprenant donc le poste de pilotage. Ce refuge serait également utilisé en cas d'éruption solaire (Une éruption solaire est un événement primordial de l'activité du Soleil. Elle se produit à la surface de la photosphère et projette au travers de la chromosphère un jet de...). Le reste de l'habitacle n'est protégé qu'envers le rayonnement ambiant du milieu interplanétaire (Le milieu interplanétaire est la matière diffuse qui constitue l'espace du système solaire et à travers laquelle se déplacent les objets et les véhicules spatiaux.). L'objectif est qu'au cours d'une mission, l'équipage ne subisse pas plus de 50 rem de la part du moteur et 50 rem du milieu spatial.

La stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) adoptée consiste à situer ce poste de pilotage / refuge dans le véhicule de secours. Son blindage contre les radiations solaires serait uniforme tandis que le blindage supplémentaire vis-à-vis de la propulsion, placé uniquement sur le "bas" du refuge, serait en grande partie constitué par le carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) de secours. Le reste du véhicule de secours n'a pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins secondaires et...) de protection importante, cela concerne le poste de navigation (La navigation est la science et l'ensemble des techniques qui permettent de :) et les réserves logistiques (seulement 15 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel....) de réserves sont nécessaires au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères qui englobe...) du refuge).

Cette conception impose que les passages entre le poste de commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) et le reste du vaisseau se fasse par les cotés du véhicule. Les autres modules sont consacrés au déroulement normal de la mission (laboratoires, véhicules d'exploration, gymnase, mess, atelier, magasins de pièces de rechange, ...).

Performances

L'impulsion spécifique brute, ne concernant que l'unité de propulsion, est calculée à partir de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de mouvement transmise par le plasma remplissant l'angle solide (En mathématiques, en géométrie et en physique, un angle solide est l'analogue tridimensionnel de l'angle plan ou bidimensionnel.) αe ayant pour sommet le point (Graphie) d'ignition et pour base la plaque de poussée (la tangente de cet angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) est donc distance de mise à feu / rayon de la plaque). Cette impulsion est définie par:

I_{brute} = {M_{{\alpha}_e} \over M_{unit \acute e}} \cdot {V_{{\alpha}_e} \over g}

Mαe est la masse de plasma propulsé dans l'angle αe, Vαe est la vitesse moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans changer la...) perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du...) à la plaque du plasma contenu dans l'angle αe, et M_{unit \acute e} la masse de l'unité de propulsion.

L'impulsion spécifique réelle du système de propulsion est obtenue en appliquant à cette impulsion brute un terme correcteur ε prenant en compte la quantité d'huile anti-ablation, de gaz du canon pneumatique, des divers autres fluides consommés par tir, la proportion de tirs ratés et la précision des tirs réussis:

I_{sp} = {I_{brute} \over (1+\epsilon)}

Les différentes configurations de véhicule Orion donnent toutes un ε aux alentours de 0,2. Ce terme représentatif du fonctionnement nominal ne prend pas compte les dépenses à l'initialisation et à l'extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque chose. Plus particulièrement on retrouve ce terme dans plusieurs domaines :) du système de propulsion (200 à 800 kg de fluides et matériel), qui sont à peu près compensables par l'explosion d'une unité supplémentaire.

Les études pratiques les plus abouties donnent des impulsions de 1850 à 3150 s. En théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...), le facteur limitant l'Isp est l'ablation de la plaque qui impose une limite pour la vitesse du plasma d'environ 200 km/s, soit avec l'efficacité atteinte une impulsion de 10 000 s. Toutefois, ces valeurs pratiques et cette limite supérieure (datant de 1964) étaient supposées améliorables par divers développements technologiques, on pensait alors que les véhicules des années 1980 auraient des impulsions de 10 000 à 20 000 s.

Tailles de vaisseaux Orion

Un rapport de 1959 de General Atomics[4] exposait les caractéristiques de trois vaisseaux Orion envisageables.

"satellite (Satellite peut faire référence à :)"
Orion
"midrange"
Orion
"super"
Orion
Diamètre du vaisseau 17-20 m 40 m 400 m
Masse du vaisseau 300 t 1-2 000 t 8 000 000 t
Nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de bombes 540 1 080 1 080
Masse de chaque bombe 0,22 t 0,37-0,75 t 3,00 t

La configuration maximale, le "super" Orion, avec ses 8 millions de tonnes pourrait facilement abriter une petite ville (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour l'ONU) étendue et fortement peuplée (dont les habitations...). Au cours d'entretiens, les concepteurs envisageaient ce vaisseau comme une possible arche (Une arche est un élément naturel ou construit qui adopte une forme géométrique proche de l'arc. L'élément délimite un espace sous lequel il est possible de faire passer au moins de l'air ou de l'eau...) interstellaire. Ce projet le plus ambitieux pouvait être réalisé avec les matériaux et techniques de 1958 ou pressentis comme imminement disponibles. Avec ceux d'aujourd'hui, le dimensionnement maximal pourrait encore être augmenté.

Les 3 t de chaque unité de propulsion du "super" Orion seraient en fait composées essentiellement de matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) inerte, tel que du polyéthylène ou des sels de bore, servant à transmettre la poussée sur la plaque et à absorber les neutrons pour minimiser la contamination. Un concept de "super" Orion proposé par Freeman Dyson était doté d'une plaque de poussée composée initialement d'uranium ou d'un élément transuranien, afin que cette plaque activée par le bombardement de neutrons puisse être convertie en combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur : la combustion.) nucléaire une fois le vaisseau arrivé à sa destination interstellaire.

Diamètre 10 m 20 m
Isp 1850 s 3150 s
Poussée 3,5 MN 16 MN
Masse sèche 91 t 358 t
Masse bombe 141 kg 450 kg
Période de tir 0,86 s 0,87 s
Capacité magasin 900 900
Magasin externe 92 163

Finalement, l'étude de 1964 visant des applications plus immédiates, ne devait retenir que deux dimensionnements de base: un modèle de 10 m de diamètre montable sur les premiers étages des fusées Saturn et un de 20 m similaire au précédent à ceci près qu'il possèdait deux groupes d'amortisseurs secondaires concentriques.

Les caractéristiques de ces modules de propulsion sont données dans la table ci-contre. La masse sèche correspond à un module sans aucun magasin externe et sans structure supérieure (fixation des magasins externes et de la charge utile).

Applications

Le concept de propulsion du projet Orion est extrêmement performant. Les vaisseaux utilisant des unités de propulsion à fission était prévus pour les trajets interplanétaire et ceux à fusion pour les voyages interstellaires.

Les missions impliquant un véhicule de type Orion comprenaient originalement des allers-retours mono-étage (directement depuis la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) terrestre) vers Mars, et des voyages vers les lunes de Saturne.

La vitesse de croisière (La vitesse de croisière d'un aéronef est la vitesse correspondant au régime des moteurs prévu pour la partie courante d'un vol, c'est-à-dire sans la phase de montée et...) atteinte par un vaisseau Orion thermonucléaire est de 8 à 10 % de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière (299 792 458 m/s) a été mesurée dès le XVIIe siècle par l'astronome danois Ole Christensen Rømer qui avait observé en 1676 un retard de...) (0,08 à 0,1 c). Un vaisseau à fission aurait peut-être pu atteindre 3 à 5 % de la vitesse de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...).

Même à 0,1 c, un vaisseau Orion thermonucléaire mettrait 44 ans pour atteindre Proxima Centauri (Proxima Centauri est l'étoile la plus proche du système solaire. Elle est aussi appelée Alpha Centauri C ou en français Proxima du Centaure. C'est une naine rouge de magnitude...), notre plus proche étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) voisine. L'astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) Carl Sagan suggéra que ce serait un excellent moyen de se débarrasser de nos arsenaux nucléaires.

Une des applications modernes envisageables avec cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) serait la déviation d'un objet géocroiseur (En astronomie, les objets géocroiseurs sont des corps célestes susceptibles à un moment ou à un autre de croiser à proximité de la Terre. Ils sont souvent...). Les hautes performances du principe autoriseraient même une réaction tardive, le véhicule lancé aurait suffisamment d'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps...) pour dévier l'objet simplement par impact. De plus, une mission automatique serait affranchie de l'aspect de conception le plus problématique: les amortisseurs.

La première amélioration du concept Orion fut proposée en 1978 par la British Interplanetary Society. Le projet Daedalus (Projet Daedalus était une étude menée de 1973 à 1978 par la British Interplanetary Society pour concevoir une sonde interstellaire réalisable. Une douzaine de scientifiques et d'ingénieurs dirigés par Alan Bond travaillèrent sur...) était une sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les...) interstellaire automatique vers l'étoile de Barnard (L'étoile de Barnard est une étoile de la constellation d'Ophiuchus, connue pour être l'astre possédant le mouvement propre le plus important relativement au Soleil (10,3" par an). Ce mouvement propre rapide a été découvert par...) qui aurait atteint 12 % de la vitesse de lumière grâce à un système de propulsion basé sur la fusion explosive de pastilles de deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.) ou tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2 neutrons. Il a été mis en évidence en...) déclenché (Un déclenché (ou tonneau déclenché) est une figure de voltige aérienne.) par confinement inertiel. Ceci permettait d'envisager des explosions plus petites et donc un système amortisseur plus léger.

En 1989, l'US Navy améliorait encore Daedalus avec son projet Longshot.

Depuis 1998, le département d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation...) nucléaire de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de la Pennsylvanie a développé deux versions améliorées de Daedalus : le projet ICAN et le projet Aimstar [5].

Un modèle réduit baptisé putt-putt et utilisant des explosifs chimiques RDX, effectua un vol de 23 secondes à une altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la répartition de la vie sur terre.) de 55 m à Point Loma.

Aspects économiques

Le coût en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière...) fissile était supposé élevé jusqu'à ce que Ted Taylor démontre qu'avec une conception adéquate des bombes, la quantité de matière (La quantité de matière est une grandeur de comptage d'entités chimiques ou physiques élémentaires. L'unité qui lui correspond est la mole.) fissile nécessaire à un lancement terrestre était à peu près constante quelle que soit la taille du véhicule de 2 000 à 8 000 000 t. Les vaisseaux plus petits utilisent plus de matière fissile car ils ne peuvent être basés sur des explosions thermonucléaires. Les vaisseaux plus grands utilisent plus d'explosif pour sur-comprimer le primaire fissile et réduire la contamination résultante.

Le coût de mise en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) avec le plus grand Orion était de 11 cents/kg en dollars de 1958 (soit 70 cents/kg en dollars de 2005).

Problèmes potentiels

De vrais tests sur banc d'essai étaient réputés infaisables à cause des milliers d'explosions nucléaires qu'il fallait effectuer au même endroit. Néanmoins, des expérimentations furent conçues pour tester la plaque de poussée au cours d'essais nucléaires. Des tests de plus longues durées étaient envisageables dans l'espace et plusieurs faillirent être mis sur pied. La conception des amortisseurs pouvait être testée en grandeur réelle sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes....) en utilisant des explosifs chimiques.

Le principal problème lié à un lancement terrestre est la contamination nucléaire. Freeman Dyson estimait alors qu'avec des bombes nucléaires ordinaires, chaque lancement provoquerait des cancers fatals pour 10 personnes dans le monde (Le mot monde peut désigner :) (le mode de calcul de cette estimation est contesté).

Les retombées du lancement d'un Orion de 5 500 t à fission ne correspondent qu'à une explosion de 10 mégatonnes (40 pétajoule). Grâce à une conception appropriée des bombes, Ted Taylor estimait que les retombées pouvaient être divisées par 10, ou même rendues nulles si la fusion pure était utiliséecitation nécessaire.

À basse altitude (durant le lancement), l'équipage peut être exposé à plus de retombées radioactives, et de plus, il y a le risque de bombardement par des éclats fluidifiés giclant du sol. Un vaisseau de 10 m de diamètre pouvait être monté sur le premier étage d'une Saturn V (Saturn V est le nom de la fusée spatiale qui a été utilisée par la NASA pour les programmes Apollo et Skylab entre 1967 et 1972, en pleine course à...) pour le début de l'ascension; pour les autres, la solution proposée consistait à utiliser un explosif conventionnel étalé sur la plaque de poussée pour le début de l'ascension avant d'activer la propulsion nucléaire quand l'altitude le permettait.

Dans les couches denses de l'atmosphère, la diffusion Compton (En physique, la diffusion Compton est la diffusion d'un photon sur une particule de matière, comme un électron. On appelle effet Compton plus spécifiquement l'augmentation de la longueur d'onde du photon par la...) pourrait également représenter un danger pour l'équipage. La solution consisterait à le réfugier à l'abri des radiations dans un compartiment au milieu de la cargaison (La cargaison (de l'occitan gascon cargar: charger) est l'ensemble des marchandises transportées. Le terme s'applique au transport de bétail mais ne s'applique pas aux passagers.) et des équipements. Un tel refuge serait de toute façon nécessaire dans les missions lointaines pour résister aux éruptions solaires.

Le lancement terrestre d'une fusée Orion vers l'orbite basse (L'orbite terrestre basse (Low Earth orbit, LEO, en anglais) est un type d'orbite terrestre situé entre 350 et 1 400 kilomètres d'altitude. On considère généralement que l'orbite basse est comprise entre l'atmosphère et la ceinture de...) engendrerait des impulsions électromagnétiques qui pourraient être fatales aux ordinateurs et satellites. Ce problème peut être résolu en procédant aux lancements dans des régions isolées (l'EMP n'étant néfaste que sur quelques centaines de kilomètres).

En orbite proche, la magnétosphère (La magnétosphère est la région entourant un objet céleste dans lequel les phénomènes physiques sont dominés ou organisés par son champ magnétique.) rabattrait vers la Terre des retombées radioactives, à moins d'allumer au dessus d'une région polaire.

Le fonctionnement proche d'un Orion inonderait d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) les ceintures de Van Allen et perturber les satellites en orbite. Mais la Terre elle-même est bien protégée des ceintures de Van Allen, de plus il existe des solutions relativement simples pour les décharger de leur flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est...) de radiations à l'aide de câbles électrodynamiques.

Même dans l'espace interplanétaire, ce vaisseau et le programme d'essais nécessaire à sa mise au point violeraient le traité d'interdiction partielle des essais nucléaires de 1963. Néanmoins, certains objectent que ce traité est basé sur des suppositions obsolètes. Il est désormais établi que le milieu interplanétaire est particulièrement radioactif, le projet Orion n'y contribuerait pas de façon sensible. Le gouvernement américain tenta de faire introduire une exception dans le traité de 1963 afin de permettre la propulsion spatiale nucléaire, mais les soviétiques craignant un détournement militaire de cette exception, s'y opposèrent et empêchèrent la révision du traité nécessitant l'unanimité.

L'approche la moins nuisible serait l'assemblage du vaisseau en orbite par des moyens plus conventionnels et son mise à feu au-delà de la magnétosphère.

La stabilité était aussi un aspect problématique à cause de l'incertitude de la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) des bombes éjectées, mais il fut démontré qu'à la longue, toutes les erreurs induites tendaient à s'annuler.

Le projet Daedalus, ainsi que les autres basés sur des microexplosions thermonucléaires, devraient contourner ces restrictions. Le système Daedalus se base sur des faisceaux de particules provoquant la fusion de pastilles d'environ un gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et du système CGS. L'abréviation du gramme est g.) et équivalentes à seulement 10-20 t de TNT.

Dans la science-fiction (La science-fiction, prononcée /sjɑ̃s.fik.sjɔ̃/ (abrégé en SF), est un genre narratif (principalement...)

  • La première apparition du concept dans la littérature est dans le roman L'Empire de l'atome d'A. E. van Vogt (1956), où l'Empire de Linn utilise des fusées nucléaires de type Orion pour les voyages interplanétaires.
  • Dans le roman The Land of Crimson Clouds des frères Strougatski (1959), le système de propulsion d'un vaisseau pour Vénus est très similaire à Orion : il utilise en plus la poussée photonique engendrée par les explosions thermonucléaires.
  • Les premières versions du roman 2001, l'odyssée de l'espace d'Arthur C. Clarke (1968) prévoyaient que le vaisseau Discovery 1 soit propulsé par système Orion. La version moderne et le film ne reprennent pas cette idée car Stanley Kubrick en avait assez des explosions nucléaires après avoir tourné Docteur Folamour.
  • Dans la série Star Trek (Star Trek est un univers de science-fiction créé par Gene Roddenberry dans les années 1960 qui regroupe six séries télévisées, onze longs métrages...) originale, l'épisode Au bout de l'Infini (For the World is Hollow and I Have Touched the Sky, 1968) met en scène un vaisseau génération construit à partir d'un astéroïde (Un astéroïde est un objet céleste dont les dimensions varient de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres et qui, à la différence d’une comète, tourne autour du Soleil sur une orbite...) ferreux évidé et propulsé par un " moteur nucléaire pulsé de classe Orion " où des bombes à fission sont explosées dans des tuyères. Son périple (Avant de désigner un voyage (agréable ou non, court ou long, sur mer ou non, effectif ou spirituel) et ce que celui-ci peut compter comme escales, rencontres et aventures, le périple...) a dura 10 000 ans sur 30 années-lumière.
  • Dans le roman King David's Spaceship de Jerry Pournelle (1973), les habitants d'une planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique,...) voulant réintégrer l'empire du CoDominium doivent construire un vaisseau Orion afin d'être qualifiés de planète hautement développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.).
  • Dans la nouvelle de Joe Haldeman Tricentennial (1977), récompensée par un prix Hugo, figure un vaisseau nommé Deadalus propulsé par des bombes nucléaires.
  • Dans l'anthologie Céphéïde de l'auteur hollandais Tais Teng, figure un vaisseau de type Orion décrit comme étant une des méthodes de voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel (affaires). Le voyage s'est considérablement développé et...) interstellaire les plus primitives et les plus polluantes. Le vaisseau est une relique d'une civilisation inconnue exterminée par les descendants des baleines à bosse.
  • Dans le roman Orion Shall Rise de Poul Anderson (1983), les restes d'une confédération déchue rassemblent du matériel nucléaire interdit dans un but inconnu — bien que le titre suggère la nature de cet objectif.
  • Un tel vaisseau tient un rôle important dans Footfall de Larry Niven et Jerry Pournelle (1985), où l'humanité confrontée à une invasion extraterrestre doit recourir à des moyens drastiques pour armer un vaisseau de combat.
  • Également dans Emprise de Michael Kube-McDowell (1985), premier volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de la série Trigon Disunity.
  • Dans le roman La Captive du temps perdu (Marooned in Realtime) de Vernor Vinge (1986), la technologie des bulles de stase rend ce type de propulsion parfaitement sûr pour les passagers.
  • Dans le roman The Stone Dogs de S. M. Stirling (1990), des vaisseaux Orion sont construits lors d'une course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) à l'armement et utilisés à des fins d'exploration et de guerre.
  • Dans le film Deep Impact de Mimi Leder (1998), une équipe russo-américaine doit sauver le monde d'une collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) avec une comète (En astronomie, une comète est un petit astre brillant constitué de glace et de poussière du système solaire, dont l'orbite a généralement la forme d'une ellipse très allongée, et souvent...) en allant la miner avec le vaisseau expérimental Messiah. Son système de propulsion est appelé Orion bien que son apparence visuelle ne corresponde pas à ce principe; mais d'autre part, les caractéristiques ΔV - délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une chose, ou à l’expiration duquel on sera tenu de faire une certaine chose.  ».) imparti imposent ce type de propulsion (pour peu que la vraisemblance soit un souci cinématographique hollywoodien).
  • L'histoire de fond du jeu vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un support adapté à...) Alpha Centauri de Sid Meier (1999) est celle d'un vaisseau hibernation (L’hibernation est un état d’hypothermie régulée, durant plusieurs jours ou semaines qui permet aux animaux de conserver leur...) propulsé par système Orion dont le bouclier ("Le Bouclier" était une association créée par Bernard Valadon pour lutter contre la pédocriminalité sur internet. Le site web www.bouclier.org, aujourd'hui disparu, était au centre du dispositif de...) lâche (probablement à cause d'un sabotage) juste avant d'arriver à destination, conduisant les occupants à se diviser en factions adverses.
  • Dans le roman The Shiva Option de David Weber et Steve White (2002), un monde arachnéen est détruit bombardé par des astéroïdes déplacés grâce au système de propulsion Orion.
  • Dans le roman Olympos de Dan Simmons (2005), des vaisseaux Orion sont conçus par une race (En nomenclature zoologique, la race est un rang taxinomique inférieur à l'espèce (équivalent au rang de variété dans d'autres disciplines), dans le...) mécanique pour imiter la technologie humaine.
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