Plus rapide que plaid ? …

Bonjour et bienvenue dans ce premier épisode d’Au-Delà de Tesla. 

Elon Musk est comme beaucoup de geeks. Il a des idées sur énormément de choses et s’intéresse à des domaines extrêmement divers.

Il est toutefois très différent de vous et moi pour une chose : Il se donne les moyens de réaliser tous ses rêves, même les plus fous !

Des tunnels pour voitures ou trains à très grande vitesse à la colonisation de Mars en passant par les voitures électriques, la production d’énergie solaire ou un interface homme-machine régi par la pensée, tous ces projets sont aujourd’hui en route et suivent leur trajectoire propre.

Pourtant toutes ces entreprises sont liées et imbriquées. Elles finiront par se rejoindre en un grand projet géant qui est ni plus ni moins la façon dont Elon Musk voit le futur.

Plongeons dans les rêves d’Elon Musk et voyons ce qu’il nous réserve.

Aujourd’hui nous parlerons du projet de Tesla de réaliser le Roadster le plus rapide du monde grâce aux technologies de moteurs de Space X.

###Générique ###

Si j’ai choisi ce sujet pour commencer cette série, c’est pour bien illustrer le propos de ce nouveau format. Dans ces moments troublés, à l’actualité négative, aux polémiques sans fins et au pessimisme général, j’avais besoin de retrouver un peu de feu sacré et de vous le transmettre. 

De tout gamin, j’ai rêvé des mondes futurs, d’espace et de villes extraordinaires. L’iconographie de science-fiction démontre bien que je ne suis pas le seul.

Par beaucoup d’aspects, les films et séries de mon enfance se sont déjà réalisés et la technologie a rejoint le rêve, voire l’a dépassé parfois.

Le communicator de Star Trek dans les années 60 ? Ils sont devenus réalité dans les années 1990 avec les téléphones portables ! Ils ont même dépassé le rêve en devenant smartphones ou même tablettes comme dans la seconde série The Next Generation.

Internet et la TV connectée ? Elle était déjà présente chez Georges Orwell dans 1984 qu’il a déjà publié en 1949. Et il y aurait des centaines d’exemples similaires. 

Petit message d’ailleurs à tous les râleurs, rabat-joies et dépressifs pessimistes qui pensent que nous sommes que des gamins gaspilleurs et que nos jouets sont bien puériles face aux “vrais” problèmes. Préserver les ressources c’est bien et faire n’importe quoi l’est nettement moins mais c’est par le rêve et le jeu que les hommes inventent, évoluent et se rendent la vie meilleure. Personnellement je préfère qu’on dépense des millions dans la recherche spatiale, dans de gros jouets comme le Roadster Tesla ou dans tout loisir constructif ou instructif. Cela fait rêver, rend la vie plus belle et fait avancer le monde.

Si un monde sans joie, endroit purement efficace mais dénué de peps est votre kif, la Corée du Nord est un endroit qui vous plaira sûrement. Rassurez-vous, vous pouvez y aller, vous ne nous manquerez nullement ! 

Ceci étant dit, entrons dans le cœur du sujet.

Lorsque je parle de moteur de fusée, je suis certain que vous voyez ceci !

@@@décollage CRS21@@@

ou bien de cela :

@@@test superdraco Dragon@@@

En fait, on parle plutôt de cela

@@@jets de vapeur sur la F9@@@

Ah ! Mais alors ce n’est pas une voiture fusée alors ? Eh bien non. On ne concurrencera pas Blue Flame qui est la seule voiture à moteur fusée à avoir détenu le record de vitesse sur terre et surtout la première à avoir dépassé 1000km/h.

@@@Blueflame record@@@

Pourtant avec le Roadster 2, on parle déjà de plus de 400 Km/h pour le modèle de base. Musk s’est exprimé sur le sujet des performances de la version Space X et a précisé qu’elle serait bien plus rapide, sans pour autant donner de chiffres.

La première voiture de “série” à dépasser 400km/h et je mets des guillemets tant il s’agit d’une auto de haute technicité mais produite à la main de façon artisanale, est la Bugatti Veyron. Elle a depuis été rejointe par des autos comme les Koennigseg ou d’autres hypercar.

La problématique de toutes ces autos n’est pas tant d’atteindre cette vitesse que de tenter de rester au sol. En effet, à partir d’une certaine vitesse, une auto à tendance à vouloir s’envoler.

@@@décollage porsche GT1@@@

 Pour bien comprendre ce dont nous parlons, un petit dessin vaut mieux qu’un long discours.

@@@tableau avec une auto@@@

Pour avancer, notre Bugatti va devoir développer de la puissance. Cette puissance passe dans les roues et l’adhérence des pneus sur le sol permet la transmettre à celui-ci, provoquant une poussée. (flèche)

Lorsque l’on avance, l’air passant sur l’auto va alors créer une résistance qu’on appelle trainée. Celle-ci est fortement influencée par la forme du véhicule et sa surface frontale. Le coefficient lié à la forme est appelé coefficient de pénétration dans l’air ou Cx. 

Le poids de la voiture lui permet de rester au sol (flèche) mais l’écoulement de l’air va induire une force appelée portance. 

Plus la vitesse est importante, plus la portance est forte.

Ponctuellement, la portance peut devenir plus forte que le poids et la voiture décolle. 

C’est exactement ce qui est arrivé à la Porsche. La voiture s’est délestée sur une bosse et l’air s’est engouffré sous l’auto, créant cette impressionnante pirouette.

Heureusement le pilote s’en est sorti avec une belle frayeur mais indemne.

Tout ce que je viens de vous expliquer est valable également pour une aile d’avion. 

@@@Changement de dessin@@@

Dans ce cas, pourquoi ne pas utiliser le principe d’une aile en la retournant ? (retournement de l’aile).

Le poids et la force aérodynamique seront donc orientés vers le bas, plaquant la voiture au sol.

C’est ainsi que les ailerons ont été inventés en fait. Ils ont pourtant un petit défaut. Plus ils sont gros, plus ils sont efficaces. Plus on les incline, mieux ils plaquent la voiture au sol. 

Le hic, c’est que cela s’accompagne toujours d’une trainée aérodynamique qu’il va falloir vaincre pour avancer.

La puissance nécessaire pour cette compensation est exponentielle en fonction de la vitesse. Voilà pourquoi 30 chevaux suffisent pour atteindre 100km/h, 120 pour 200km/h, 400 pour 300km/ et qu’il en faut 1000 à la Veyron pour atteindre 400km/h.

Le plus gros soucis est de trouver le bon compromis entre déportance et trainée. Pour atteindre 400km/h, la Veyron est équipée d’un mode spécial qui abaisse l’aileron arrère, configure les suspensions et les entrées d’air pour rendre la voiture la plus aérodynamique possible, au détriment de la stabilité. Il faut en avoir pour enclencher ce mode et tenter d’atteindre cette vitesse avec une Veyron ou une Koenigsegg et je doute que beaucoup de leurs propriétaires aient tenté le coup. 

Pour résoudre ce problème, plusieurs solutions existent dont une qui a été très en vogue en compétition dans les années 70-80 avant d’être interdite suite à de nombreux accidents dont la mort de Didier Pironi et Gilles Villeneuve en Formule 1.

Cette solution appelée effet de sol repose sur un principe physique appelé effet venturi. 

https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Venturi

Imaginez un flux d’air passant dans une vallée. Au milieu de cette vallée, on va trouver deux montagnes rétrécissant la vallée. Le courant d’air passant par là va alors s’accélérer, créant une dépression.

C’est exactement ce principe physique qui sera utilisé dans les formule 1 ou les voitures d’endurance sous le nom d’effet de sol : 

https://tpeaerosportauto.wixsite.com/aerodynamisme-f1/effet-de-sol

L’air qui passe sous la voiture est accéléré puis relâché à l’arrière de l’auto par un diffuseur, ce qui abaisse la pression sous la voiture, l’aspirant littéralement au sol. 

Le soucis est que si l’auto est trop loin du sol, cela ne fonctionne pas bien. Les ingénieurs inventèrent alors les jupes permettant de réduire l’arrivée d’air sur les cotés de la voiture, ce qui rendait le système d’effet de sol extrêmement efficace.

Toutefois comme pour un aspirateur dont on bloque le tuyau, lorsque la jupe se soulevait, la force d’aspiration disparaissait d’un coup.

Plusieurs pilotes en ont fait les frais et certains y ont laissé la vie. 

Les ingénieurs ont bien tenté de rendre le système plus efficace mais aussi moins sensible en ajoutant un réel aspirateur au système. Cela a été extrêmement efficace mais pas plus sécurisant, au contraire. La Chapparal 2j de 1970 faisait encaisser jusqu’à 8g en virage à son pilote dans des conditions idéales, ce qui est à la limite de ce que peut encaisser un humain entraîné. 

L’adoption du fond plat obligatoire en compétition a résolu le problème de sécurité au prix d’une baisse de performances.

A la lumière de cette histoire, les ingénieurs de Tesla ne pouvaient bien entendu pas utiliser un tel procédé pour plaquer son Roadster au sol. 

Sur la version de base, ils ont choisi une aérodynamique classique avec un peu d’effet de sol grâce à un diffuseur arrière et une forme générale favorisant la déportance.

Le poids des batteries idéalement réparti avec un centre de gravité très bas va plaquer l’auto au sol de manière uniforme entre l’avant et l’arrière, ce qui devrait être suffisant pour une conduite au quotidien.

Pourtant, sur circuit par exemple, le compromis choisi par Tesla réduira l’adhérence en virages et limitera les aptitudes de la voiture à une conduite sportive.

Lui adjoindre des ailerons ferait le job mais la voiture serait moins rapide en ligne droite. De plus, des appendices aérodynamiques, même mobiles, ne sont pas très efficaces à basse vitesse.

Tesla devait trouver un moyen innovant et si possible ultra-cool pour résoudre son problème.

Jamais à court d’idées, il ne faut pas oublier que les ingénieurs de Tesla ont passé des années hébergés dans les locaux de SpaceX.

Les principes d’action et de réaction leur sont bien entendu familiers, ce qui leur a donné une idée !

Commençons par le principe :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Lois_du_mouvement_de_Newton

C’est Sir Isaac Newton qui dans sa loi du mouvement de 1687 énonce le principe suivant : « L’action est toujours égale à la réaction ; c’est-à-dire que les actions de deux corps l’un sur l’autre sont toujours égales et de sens contraires. »

Dans un moteur fusée, un carburant et un comburant sont introduits dans une chambre de combustion. Le mélange s’enflamme, créant des gaz qui sont expulsés à l’arrière par une tuyère.

On pourrait penser que c’est le coussin de gaz sous la fusée qui pousse l’engin mais ce n’est pas le cas. C’est la poussée des gaz sur le moteur au moment de s’échapper qui propulse la machine.

Space X utilise des moteurs à kerosène et oxygène liquide pour les fusées Falcon et développe des moteurs à Méthane pour son Starship.

Ces moteurs ne sont pas utilisables pour l’effet recherché dans la Tesla, pas plus que les petits SuperDraco du vaisseau Dragon qui fonctionnent avec un dérivé d’hydrazine hautement toxique.

Si j’ai utilisé ceux-ci pour illustrer le teaser de cette vidéo, c’est simplement parce-qu’ils sont plus explicites visuellement parlant. Bravo à ceux qui l’ont relevé lors de la diffusion du Teaser. Pour ceux qui seraient tentés d’utiliser cela pour me dire que je ne sais pas de quoi je parle, je suis les programmes spatiaux depuis 1981 et le premier décollage de Columbia que j’ai vu en direct. J’ai aussi une collection énorme de livres, magazines et autres traités de mécanique céleste que j’ai littéralement dévoré au cours des 40 dernières années.

Avec ma formation de Technicien, cela constitue une bonne base de connaissances pour ce qui va venir.

 Si vous vous intéressez au spatial, je vous conseille d’aller voir les chaînes Hugo Lisoir ou Techniques Spatiales sur Youtube, ils font un boulot de qualité. 

Revenons à notre sujet.

Reste un type de moteurs de fusée dont on a pas encore parlé : Les moteurs du contrôle à réaction ou RCS.

Quoi ? C’est quoi donc ce truc ? 

Nous avons vu que les ailerons et autres appendices aérodynamiques permettent de générer des forces au passage de l’air. OK, ça c’est bon ! Mais on fait quoi lorsqu’il n’y a plus d’air ?

On va alors devoir utiliser le principe de réaction pour se diriger ou s’orienter. 

Prenons une capsule, ici le vaisseau Gemini qui était équipé d’un système RCS dans son nez. Le contrôle était partiel puisque seul l’avant du vaisseau faisait bouger le vaisseau. Cela veut dire également qu’on ne pouvait faire que des mouvements de rotation et non de translation.

Pour la Navette spatiale, c’était inacceptable. Son système de contrôle à réaction s’est donc composé de trois moteurs à tuyères multiples.

Les gaz de combustion étaient guidés vers l’une ou l’autre des tuyères pour créer la poussée voulue. Ces moteurs sont imposants car la masse à déplacer est énorme.

Pour des usages dans des vaisseaux plus légers ou les satellites, on utilise le même principe en ne relâchant non pas des gaz de combustion mais un gaz comprimé.
C’est ni plus ni moins que ce qu’il se passe en lâchant un ballon gonflé sans fermer son orifice. Il va alors voleter jusqu’à épuisement de sa réserve d’air. 

Dans le cas du spatial, on utilise de l’azote liquide qu’on va détendre dans une chambre avant de le diriger vers les tuyères désirées au moyen de valves.

Pourquoi de l’azote ? 

Eh bien parce qu’il peut faire très froid dans l’espace. En utilisant de l’air comprimé, on prend le risque qu’il contienne de l’humidité qui pourrait se transformer en cristaux de glace et bloquer les valves.

SpaceX utilise ces systèmes dans presque tous leurs usages. Ils sont présents à la fois sur les Falcon, les Dragons et le Starship, sans compter les satellites Starlink.

Ils ont l’avantage d’expulser un gaz froid et donc ne risquent pas d’abîmer le matériel. 

Pour un Roadster destiné à rester sur Terre, l’air est le gaz idéal et ce système est inoffensif pour l’homme car pas de gaz brûlants. L’air est gratuit, se comprime facilement et se conserve dans un réservoir à température ambiante.

On aura moins de puissance qu’avec l’azote mais on ne cherche pas ici à créer un mouvement. On veut juste générer une force pour que l’auto reste au sol.

Les tuyères stratégiquement placées et intégrées dans la carrosserie pourront ainsi générer portance, forces latérales ou longitudinales à la demande. Un compresseur intégré rechargera immédiatement le réservoir placé à l’arrière de l’auto, en remplacement des places arrière.

Un tel dispositif serait efficace mais sans plus. Je doute que les ingénieurs de Tesla se limiteront à cela. 

En effet, n’oublions pas que la voiture est en mouvement et que les flux d’air, naturels ou artificiels, seront en interaction.

Or, un flux d’air stratégiquement placé peut en dévier un autre. C’est ce que Tesla fait pour ses aérateurs sans grilles sur les Model 3 et Y.

En appliquant la même technique, on obtient des “ailerons” virtuels qui auront non seulement une poussée par réaction mais aussi une action sur les flux aérodynamiques en mouvement normal.

Les jets ne seront bien entendu pas continus car le petit réservoir interne n’y suffirait pas.

Comme dans les systèmes RCS des fusées, les jets d’air se feront à des moments stratégiques comme les changements d’appuis par exemple.

Toute la gestion du système se fera grâce à l’informatique de bord et ses capteurs, dont les gyroscopes piézoélectriques et les accéléromètres. 

La voiture aura alors une capacité à défier l’adhérence et les lois de la gravité comme aucune autre, lui permettant de pulvériser le record de vitesse sur les circuits de Laguna Seca ou du Nurburgring, tout en étant sûre et confortable sur route.

En conclusion, si le Roadster Tesla a été la première voiture de série dans l’espace et si cette nouvelle version promet d’être la voiture de série la plus rapide au monde et la première à être équipée de moteurs de fusée, elle n’est pourtant pas destinée à poser ses pneus sur une autre planète.

Cet honneur sera probablement réservé au Cybertruck, au moins dans un premier temps.

En revanche, nul doute que ce Roadster sillonnera les tunnels de la Boring Company, accompagné de toute la gamme Tesla, mais cela, nous en parlerons dans le prochain épisode d’Au-Delà de Tesla ! 

Et sur ces bonnes paroles, je vous souhaite bonne route et vous dis à bientôt pour un prochain épisode du Choucroute garage. Prenez soin de vous, 

Ciao !

###Aérodynamique : Portance, déportance et traînée###

Aile d’avion : Fonctionnement

Aileron voiture : Fonctionnement

Envol mercedes Le Mans

Explication effet venturi (formule 1 années 70 – 80)

Système Brabham Aspirateur et Chapparal (démo avec aspi à la maison)

###Différents moteurs fusée###

Moteurs de poussées

Moteurs monoergols type superdraco

Moteurs RCS à combustion http://www.capcomespace.net/dossiers/espace_US/shuttle/sts/orbiter_OMS_RCS.htm

https://fr.wikipedia.org/wiki/SuperDraco
Moteurs RCS à gaz (Azote) https://www.researchgate.net/publication/327606963_X-34_HIGH_PRESSURE_NITROGEN_REACTION_CONTROL_SYSTEM

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