Catapulte électromagnétique
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Une catapulte électromagnétique sur la Lune (vue d'artiste)
Une catapulte électromagnétique (Une catapulte électromagnétique est une méthode de propulsion spatiale qui utilise un moteur linéaire pour accélérer des charges à haute vitesse. Sur son principe, elle s'inspire de la catapulte utilisée sur les porte-avions.) sur la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne séparant la Terre de la Lune est de...) (vue d'artiste)

Une catapulte électromagnétique est une méthode de 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...) qui utilise un moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) linéaire pour accélérer des charges à haute vitesse (On distingue :). Sur son principe, elle s'inspire de la catapulte utilisée sur les porte-avions (Un porte-avions est un navire de guerre permettant de transporter et de mettre en œuvre des avions de combat. C'est en fait une base aérienne flottante et donc mobile, qui permet de déplacer une...).

Toutes les catapultes existantes, ou en 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 diversité de contribution,...), utilisent des bobines de câble chargées en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de...) pour créer des électroaimants. 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).) séquentiel d'un rang ( Mathématiques En algèbre linéaire, le rang d'une famille de vecteurs est la dimension du sous-espace vectoriel engendré par cette famille. Le théorème du rang lie le rang et la dimension du noyau d'une...) d'électroaimants accélère 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...) le long de la voie. Après avoir quitté la voie, la charge continue sur sa lancée grâce à l'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en mouvement rectiligne uniforme (se déplaçant sur une droite à vitesse...).

Généralités

Une catapulte électromagnétique est essentiellement un canon magnétique qui accélère un projectile composé d'un support magnétisable et d'une 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 paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être...). Une fois la charge utile accélérée, les deux se séparent, le support est ralenti et réutilisé pour une autre charge utile.

La première catapulte électromagnétique apparue dans les documents écrits s'appelait " le canon électrique ". Il était décrit en détail dans un roman de science-fiction (La science-fiction, prononcée /sjɑ̃s.fik.sjɔ̃/ (abrégé en SF), est un genre narratif (principalement littéraire et cinématographique) structuré par des hypothèses sur ce...) paru en 1897, A Trip to Venus ("Un 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...) vers Vénus"), par John Munro, éd. Jorrold & Sons, Londres (Londres (en anglais : London - /?l?nd?n/) est la capitale ainsi que la plus grande ville d'Angleterre et du Royaume-Uni. Fondée il y a plus de 2 000 ans par les Romains, la ville est aujourd'hui...). Il se présentait comme un moyen de lancer des véhicules dans l'espace à partir du sol. Le livre est maintenant exempt de droits d'auteurs et est librement accessible sur http://www.gutenberg.org/etext/13716.

John Munro est également l'auteur de The Wire and the Wave ("Le Fil et la 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...)"), The Story of Electricity ("L'Histoire de l'électricité"), etc.

Dans le livre, John Munro décrit en détail des bobines électriques alimentées par des solénoïdes, avec une synchronisation calculée pour éviter aux passagers une trop forte accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la...). Le canon serait au 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...) incliné en l'installant sur le flanc d'une colline. Ce livre décrit également en détail des choses étonnantes : des systèmes pour augmenter la vitesse et changer de direction à partir de fusées, de jets de 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 de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...) comprimé et même de balles qu'on tire à partir de la capsule, ainsi qu'un système d'aérofreinage (L'aérofreinage ou freinage atmosphérique est la manœuvre d'un vaisseau spatial qui réduit le point haut de son orbite elliptique (apoapside) en volant au travers de...) pour l'arrivée dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) et des parachutes pour l'atterrissage (L’atterrissage désigne, au sens étymologique, le fait de rejoindre la terre ferme. Le terme recouvre cependant des notions différentes suivant...).

Des prototypes de catapultes électroniques existent depuis 1976 (Mass Driver 1). La plupart ont été construites par le Space Studies Institute américain afin de prouver leurs propriétés et leur caractère pratique. Les catapultes électroniques peuvent être employées pour propulser des vaisseaux spatiaux de deux manières différentes : une grande catapulte électronique au sol pourrait être employée pour lancer le vaisseau spatial à partir de la 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...) ou d'une autre 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...), et un vaisseau spatial pourrait en avoir à bord pour projeter des grands morceaux de 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...) dans l'espace pour se propulser. Une conception hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces...) est également possible (voir le canon magnétique, le canon électrique, ou le canon électrique hélicoïdal).

Catapultes fixes

En règle générale, les catapultes électroniques ne fonctionnent bien que sur des petits objets, et à quelques kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) par seconde ; par exemple 1 kg à 2,5 km/s. Plus lourds, ils vont proportionnellement plus lentement ; et des objets plus légers peuvent être projetés à 20 km/s ou davantage. Les limites sont généralement le coût du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) pour commuter le courant et le coût de l'alimentation et du stockage de l'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.) provisoire. Installer des catapultes électroniques pour propulser des véhicules d'une tonne ( La tonne représente différentes unités de mesure ; Une tonne est un grand et large tonneau ; Une tonne-pompe est un fourgon d'incendie ; En...) sur 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.) sont peu susceptibles d'être rentables dans un avenir proche.

La forte pesanteur (Le champ de pesanteur (ou plus couramment pesanteur) est un champ attractif auquel sont soumis tous les corps matériels au voisinage de la Terre : on observe ainsi qu'en un lieu donné tous les corps libres...) et l'épaisseur de l'atmosphère de la terre (L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse entourant la Terre solide. L'atmosphère sèche est constituée de 78,11 % d'azote, 20,953 % d'oxygène et de...) rendent une telle installation difficile. Aussi, des propositions ont été faites pour installer des catapultes électroniques sur la Lune où la pesanteur plus faible et l'absence d'atmosphère réduiraient de manière significative les coûts.

Les catapultes électromagnétiques réelles emploient en général des bobines supraconductrices qui fournissent une bonne efficacité énergique (environ 50%). La meilleure performance connue est obtenue avec une catapulte dont la charge utile est une bobine en 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...). Les bobines de la catapulte induisent des courants de Foucault (On appelle courants de Foucault les courants électriques créés dans une masse conductrice, soit par la variation au cours du temps d'un champ magnétique extérieur traversant ce milieu (le flux du champ à travers le milieu), soit par un...) (paramagnétisme) dans la bobine du projectile, puis agissent sur le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en tout point de l'espace,...) résultant. La catapulte est composée de deux sections. Dans la partie accélération, les bobines sont disposées à intervalles réguliers et synchronisent les courants de la bobine de la cuillère. Dans cette section, l'accélération augmente au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la Municipalité de Skive.) et à mesure que la vitesse augmente, jusqu'à un certain maximum. Après cela, elle arrive dans une région d'accélération constante. Dans cette partie-là, les bobines sont disposées à distances croissantes, ce qui permet de fournir une augmentation régulière de la vitesse par unité de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.).

Dans les prototypes, la charge utile est posée dans une cuillère, puis libérée, pour que la cuillère puisse être ralentie et réutilisée.

Avec ce système, on pourrait envisager des catapultes électromagnétiques pour transporter du matériel, à partir de la lune, pour l'habitat dans l'espace, et ce, en utilisant l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du...). Le Space Studies Institute (Institut d'Études de l'Espace) a prouvé que cette application pourrait fonctionner.

Pour construire une catapulte électromagnétique sur terre, on pourrait envisager un compromis : la catapulte accélérerait la charge utile jusqu'à une certaine vitesse, puis la libérerait, et la charge utile compléterait la 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.) par ses propres moyens. Cela réduirait fortement la poussée nécessaire à un lancement, et permettrait de profiter des avancées technologiques des composants des trains à sustentation magnétique.

Catapultes montées sur engins spatiaux

Un vaisseau spatial pourrait se servir d'une catapulte électromagnétique comme 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 énergie (éolienne, chimique,...) primaire. Avec une source appropriée de courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont...) (par exemple un réacteur (Un réacteur peut désigner :) nucléaire), la catapulte pourrait accélérer n'importe quel type de matière (ou presque) dans une certaine direction, ce qui projetterait le vaisseau dans la direction opposée.

...

Catapultes hybrides

Catapultes utilisées comme armes

Les militaires effectuent des recherches à propos des moteurs linéaires à grande accélération. Ceux-ci pourraient être utilisés afin depercer les blindages. Comme ces catapultes électromagnétiques nécessitent de grandes dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...), elles pourraient être utilisées sur de grandes armes, soit pour tirer directement sur des cibles dans l'espace, soit pour bombarder la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...) d'une planète depuis une orbite. Il est même possible d'envisager des tirs "au-delà de l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique,...)" (tirs indirects) ou depuis une planète proche, telle qu'une lune.

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