Projet Orion - Définition

Introduction

Vue d'artiste d'un vaisseau Orion selon les principes de conception de la NASA.

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 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 Theodore Taylor. Sur la demande de Taylor, le physicien et romancier Freeman Dyson quitta pendant une année ses travaux universitaires en Angleterre pour diriger le projet. Ce fut le premier groupe de réflexion de la sorte depuis le projet Manhattan, la plupart des membres du projet Orion déclarent s'en souvenir comme les meilleures années de leur vie. À de nombreux égards, l'humanité n'a jamais été aussi près qu'alors des voyages spatiaux à grande échelle.

En se basant sur l'énergie nucléaire, Orion permettait d'obtenir à la fois une forte poussée et une importante impulsion spécifique, le Graal de la propulsion spatiale. 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

Stanislaw Ulam et Cornelius Everett comprirent que les explosions atomiques ne pouvaient être confinées dans une chambre de combustion. De tels projets avaient brièvement existé, mais leurs performances théoriques étaient si faibles qu'ils ne dépassèrent jamais le stade 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 revêtues de graphite et contenant des matériaux à irradier étaient suspendues à proximité de la charge testée. Après l'explosion, les deux sphères furent retrouvées plus loin et intactes, démontrant qu'une structure bien conçue pouvait résister au feu nucléaire. Cette expérience fut renouvelée plusieurs fois dans l'opération Teapot dans le désert du Nevada.

La campagne d'essais nucléaires opération Plumbbob permit de revérifier accidentellement la validité du principe lors du tir Pascal B du 27 août 1957. L'explosion confinée de la charge de faible puissance a provoqué l'éjection d'une trappe en acier de 900 kg, à six fois la vitesse de libération d'après les calculs du Dr. Brownlee, responsable de test. La plaque ne fut évidemment jamais retrouvée, mais elle ne fut pas non plus le premier objet lancé par l'homme dans l'espace car il est certain qu'elle fut vaporisée par l'onde de choc ou par friction dans l'atmosphère. Néanmoins, cet événement étant survenu quelques semaines avant le lancement de Spoutnik 1, il suscita cette légende urbaine.

Performances

L'impulsion spécifique brute, ne concernant que l'unité de propulsion, est calculée à partir de la quantité de mouvement transmise par le plasma remplissant l'angle solide α_e ayant pour sommet le point d'ignition et pour base la plaque de poussée (la tangente de cet angle est donc distance de mise à feu / rayon de la plaque). Cette impulsion est définie par:

Où M_αe est la masse de plasma propulsé dans l'angle α_e, V_αe est la vitesse moyenne perpendiculaire à la plaque du plasma contenu dans l'angle α_e, et 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:

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 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 facteur limitant l'I_sp 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.