Challenge KSC5 : CassiniTitan

Partie 1 : Introduction

Je participe au challenge KSC5 dans la catégorie Juniors. Je dois donc utiliser un lanceur avec des boosters à poudre latéraux. Ce lanceur devra circulariser son orbite terrestre avec un périastre d’au moins 70 km. La rencontre avec Saturne devra se faire avec un périastre inférieur à 2 millions de km, puis en s’insérant en orbite. Il faudra ensuite passer à faible altitude de 2 satellites naturels de la planète, faire atterrir un objet sur Titan sans casse, et finir son trajet dans l’atmosphère de Saturne. Voici comment j’ai choisi, d’après le cahier de charge, le plan de ma mission. La fusée sera composée d’un premier étage disposant de boosters à poudre latéraux, et dont l’objectif sera de se placer en orbite terrestre avec un périastre d’au moins 70 km. Puis l’étage de transfert prendra le relais : il se placera en orbite solaire, puis sur une orbite de transfert de Hohmann vers Saturne. Il fera des corrections de trajectoire pour placer la sonde Titan 1 sur une trajectoire de rencontre avec Titan, puis lâchera cette sonde. Ensuite, l’étage de transfert placera la sonde Saturne 1 sur une trajectoire avec une inclinaison pour rencontrer Rhéa. Enfin, l’étage de transfert modifiera une dernière fois sa trajectoire pour qu’elle se termine dans l’atmosphère de Saturne. La sonde Titan 1 se chargera de placer le module de descente du rover Titan 1 dans de bonne condition et de sélectionner un bon endroit d’atterrissage. Le rover Titan 1 ira ensuite explorer Titan. La sonde Saturne 1 s’injectera en orbite de Saturne, puis partira à la rencontre des lunes internes de Saturne.

Partie 2 : Présentation du rover Titan 1, des sondes Titan 1 et Saturne 1, de l’étage de transfert et de la fusée

1)Le rover Titan 1

Le rover Titan 1 est basée sur une plateforme Vroumbo Probodobodyne, pèse 1308 kg et se détache avec un découpleur TD-06. Il se déplace grâce à 5 roues RoveMax Modele S2. 2 pacs de piles rechargeables Z100 d’une taille de 200% et 1 groupe rechargeable Z1k de 0,850m de diamètre porte la charge électrique à 2034,4 unités. Ces batteries sont rechargées par 2 générateurs thermoélectriques à radioisotopes PB-NUK. Pour communiquer, le rover dispose de deux communitrons : le 10 qui servira à transmettre les instructions au rover et qui sera constamment déployé, et le 88-88 qui servira à transmettre les données scientifiques et qui sera déployé qu’à cette occasion. Ce communitron est monté sur un extendatron-basic half de taille medium-, ce qui permet une allonge de 44cm pour être déployé sans gêne. Le rover emmène également un tas d’expérience scientifique, à la fois pour le sol et l’atmosphère de Titan, quand le rover a atterri ou lors de la descente :

Un module de stockage scientifique de 0,625m, pour stocker les données avant de les transmettre

Un kerbal engineering system

Un baromètre Presmat

Un thermomètre TRO-CHO

Un containeur de glairine mystérieuse

Un détecteur de graviolis négatifs Gravmax

Un science Jr SC-9001 de 0,5m

Un module de scan de surface d’une taille de 50%

Un accéléromètre sismique double C

Un Utilitron-sampler sur extendatron-right angle de taille small+

Un Utilitron-observer sur extendatron-basic small, rotatron-basic small et joint pivotron-basic small, tous de taille small+, permettant une vue à 360° horizontalement et ±90° verticalement

Enfin, le rover dispose d’un parachute Mk 16-XL de 0,625m de diamètre, une petite roue de réaction linéaire, ainsi que 6 illuminateurs Mk2 et 1 illuminateur Mk1 de taille 50%

2)La sonde Titan 1

La sonde Titan 1 est surmontée du rover Titan 1 dans son module de descente. Ce module pèse 2368 kg, et est composé d’une coiffe aérodynamique AE-FF2 de 2,5m, un adaptateur de poutrelles modulaires, 2 separatrons I pour que le rover n’atterrisse pas sur le tout, un réservoir RCS FL-510 alimentant 4 Blocs de propulsion RCS RV-105 et d’un OKTO2 Probodobodyne pour le contrôle. Ce module de descente est décrochée par un adaptateur TD-12. La sonde dispose d’un réservoir FL-T200, d’un propulseur à ergol liquide LV-909 Terrier et d’une antenne relais RA-2, pour un poids de 1815kg. La sonde Titan 1 a donc un poids total de 4183 kg et dispose d’un delta V de 2700m/s dans le vide, ce qui lui permettra de faire une importe correction de trajectoire, voire de s’injecter en orbite de Titan pour choisir son lieu d’atterrissage avec précision. Dans le cadre de notre mission, la grande majorité des ergols seront inutiles car la sonde est arrivée au-dessus de plaines. On remarque que la sonde ne pourra pas communiquer entre la séparation du module de descente et le déploiement du communitron 10 quand la vitesse est suffisamment faible lors de la descente, ce qui n’est pas très important car le module n’aura pas besoin de modifier sa trajectoire.

3)La sonde Saturne 1

La sonde Saturne 1 pèse 20 710 kg est dispose d’un deltaV de 5000 m/s une fois séparé de la sonde Titan 1. Tout en haut, il y a une antenne relais RA-100. Un HECS2 Probodobodyne assure le contrôle, et supporte les instruments suivants :

Un baromètre Presmat

Un thermomètre TRO-CHO

Un containeur de glairine mystérieuse

Un détecteur de graviolis négatifs Gravmax

Un accéléromètre sismique double C

2 groupes rechargeables Z-4k porte la charge électrique à 9000 unités. Le contrôle est assuré par un grand module de roue à réaction avancée. 4 Blocs de propulsion RCS RV-105 assure également la stabilité quand la sonde est encore connectée à la fusée. La propulsion est assurée par un propulseur à ergol liquide LV-909 Terrier alimentée par un réservoir Rockomax X200-32. Un connecteur multipoint Hubmax Rockomax de 0,4m, 2 poutrelles poutr-L 650 et 2 adaptateurs TD-06 supporte l’armature qui lie cette sonde avec Titan 1.

4)L’assemblage saturnien

L’assemblage saturnien est composé des sondes Titan 1 et Saturne 1, de l’armature de liaison entre ces 2 sondes et d’une coiffe aérodynamique AE-FF2 de 2,5m. L’armature est composée de 3 connecteurs multipoint Hubmax Rockomax de 0,4m, 2 poutrelles poutr-L 650, 2 adaptateurs TD-06, un adaptateur TD-12, 2 poutrelles poutr-L 200 I et 2 poutrelles de poches poutr-L 200 I, qui se fixent sur les 2 adaptateurs TD-06 de la sonde Saturne 1. Le tout pèse 26 171 kg. La coiffe sera larguée après que la fusée ait traversée l’atmosphère terrestre.

5)L’étage de transfert

L’étage de transfert pèse 164 tonnes et donne un deltaV de 5000 m/s au 190 tonnes de l’ensemble étage de transfert + assemblage saturnien. Pour se faire, 8 réservoirs latéraux composés chacun de 3 réservoirs FL-T800 entourent un réservoir central Rockomax Jumbo 64. Une coiffe aérodynamique améliore le profil de chaque réservoir latéral. Le réservoir principal alimente un propulseur à ergol liquide LV-909 Terrier, et les réservoirs latéraux sont reliés 4 par 4 grâce à des conduites d’ergol externes FTX-2 ; chaque groupe de 4 réservoirs alimentant aussi un par propulseur à ergol liquide LV-909 Terrier. L’étage de transfert est relié à l’assemblage saturnien par un découpleur TD-25 et 8 Robostrut Pro. L’étage dispose d’un module de guidage à distance RC-0015 situé sous une coiffe aérodynamique d’un réservoir latéral.

6)Le premier étage

Le premier étage pèse 1346 tonnes et dispose d’un deltaV de 5800 m/s pour propulser les 1536 tonnes de toute la fusée. 8 propulseurs à ergol solide S2-17 Pur sang, surmontés d’une coiffe de protection pour fusée Mk7, et reliés à la fusée par un découpleur radial TT-38k et 2 RoboStrut Pro. 2 Separatrons aident aussi à la séparation. 8 réservoirs latéraux, composées de 2 réservoirs Rockomax Jumbo-64 et d’une coiffe de protection pour fusée Mk7 chacun, sont reliés 2 à 2 grâce à des conduites d’ergol externes FTX-2 pour alimenter un propulseur à ergol liquide RE-M3 Grande-Voile. Le réservoir central est composé de 2 réservoirs Kerbodyne S3-14400 qui alimentent un propulseur à ergol liquide S3 KS-25x4 Mammouth. 8 RoboStrut Pro assurent la liaison entre les réservoirs latéraux et l’étage de transfert, tandis qu’un découpleur TD-25 relie le réservoir central et l’étage de transfert. L’étage dispose d’un module de guidage à distance RC-0015 situé sous une coiffe aérodynamique d’un réservoir latéral.

Partie 3 : Présentation de la mission CassiniTitan

Décollage

Le décollage se fait à la verticale les 1000 premiers mètres, avec les moteurs à ergol liquide à 50% de leur puissance, pour limiter la vitesse et éviter de gaspiller des ergols en luttant inutilement dans les couches denses de l’atmosphère. Puis, à 1000m, on commence à incliner la fusée de 10° vers l’Ouest, puis en augmentant de plus en plus. Une fois les couches les plus denses de l’atmosphère traversées, on pousse les moteurs à ergol liquide à 2/3 de leur puissance, tout en continuant d’incliner la fusée vers l’Ouest.

Séparation des boosters latéraux

205 secondes après le lancement, les boosters à poudres se coupent, et on active les découpleurs radiaux et les séparatrons pour séparer les boosters et les éloigner de la fusée. Une fois les boosters suffisamment loin, on pousse les moteurs à 100% de leur puissance et on incline la fusée jusqu’à 45°.

Circularisation et séparation de la coiffe

On place ensuite la fusée en direction prograde de l’orbite, jusqu’à ce que l’apoastre dépassent les 85km d’altitude, puis on coupe les moteurs. Une fois l’atmosphère terrestre quitté, vers 70 km d’altitude, on se sépare de la coiffe. 30 secondes avant d’atteindre l’apoastre, ou rallume les moteurs en position prograde pour circulariser l’orbite, de façon que le périastre dépasse les 80km sans trop augmenter l’apoastre.

Séparation du 1er étage et allumage des moteurs de l’étage de transfert

Une fois l’orbite circularisée, l’étage de transfert se sépare du premier étage et allume ses 3 moteurs pour échapper au champ d’attraction terrestre. Cette manœuvre sera assez longue : 14 min, et dépensera 920 m/s, due à la faible puissance des moteurs Terrier, mais disposant d’une bonne Isp. Les 300 m/s de deltaV du premier étage serviront à abaisser son périastre pour qu’il aille se consumer dans l’atmosphère terrestre.

Orbite de transfert de Hohmann en direction de Saturne

Une fois en orbite solaire, on définit une trajectoire pour rencontrer Saturne selon une orbite de transfert de Hohmann. On remarque ici que l’apoastre de notre orbite est plus loin que Saturne. Cela est due à la présence de Jupiter sur notre trajet, qui nous empêchait d’avoir une trajectoire optimale. Il a donc fallu pousser un peu plus pour ne pas rentrer sous influence gravitationnelle de Jupiter. La manœuvre a duré 28 min et utilisé 3100m/s de deltaV, ce qui laisse environ 800 m/s de deltaV pour faire des corrections de trajectoire.

Plusieurs corrections de trajectoire pour rencontrer Titan

Pendant le long voyage de 7 ans vers Saturne, on opère de nombreuses corrections de trajectoire afin de placer la sonde Titan 1 sur une trajectoire de rencontre avec Titan, car la sonde dispose de peu de carburants pour faire de grosses corrections de trajectoires.

Séparation de la sonde Titan 1

Une fois que la sonde Titan 1 est sur une trajectoire de Titan, on se sépare de celle-ci.

Séparation de la sonde Saturne 1

Puis on modifie légèrement la trajectoire de l’ensemble saturnien pour placer la sonde Saturne 1 sur une orbite ayant un périastre entre Titan et Rhéa et selon une inclinaison inférieure à 1°. Cela permettra à la sonde d’explorer les lunes internes de Saturne une fois insérer en orbite de Saturne sans modifier l’inclinaisons de la sonde. En effet, les principales lunes sont selon la même inclinaison orbitale à partir de Titan, contrairement à Japet. C’est ce qui a justifié le choix d’explorer ces lunes afin d’économiser du carburant. Une fois sur la bonne trajectoire, la sonde Saturne 1 est détachée de l’étage de transfert.

Correction de trajectoire pour envoyer l’étage de transfert se consumer dans l’atmosphère de Saturne

Une fois l’étage de transfert seule, on modifie une dernière fois sa trajectoire pour qu’il intercepte Saturne et brûle dans son atmosphère, afin d’éviter un débris orbital inutile ou de contaminer une des lunes de Saturne.

Séparation de l’armature

Une fois détachée de l’étage de transfert, la sonde Saturne 1 se débarrasse de l’armature qui maintenait la sonde Titan 1.

Insertion en orbite saturnienne

Une fois arrivée à son périastre, la sonde Saturne 1 va s’insérer en orbite saturnienne utilisant 1200 m/s de deltaV, et la plaçant à une orbite semi-elliptique entre Titan et Rhèa. Le choix de cette orbite est qu’elle représentait un parfait compromis entre le carburant utilisé pour circulariser l’orbite et le carburant nécessaire pour abaisser son périastre. Il reste donc 3800 m/s de deltaV à la sonde pour explorer les lunes de Saturne et modifier sa trajectoire pour brûler dans Saturne.

Correction de trajectoire pour une bonne rencontre avec Titan et sélection de l’endroit d’atterrissage : éviter la mer

Une fois assez proche de Titan, la sonde Titan 1 modifie sa trajectoire pour éviter les nombreuses mers. On remarque ici qu’aucune importante modification a été utile puisque la sonde est arrivée du bon côté de la lune. Dans le cas contraire, on aurait inséré la sonde en orbite de Titan pour sélectionner la zone d’atterrissage. Une fois la zone bien choisie, on abaisse le périastre à environ 20 km, l’atmosphère très dense de Titan s’occupera de freiner la sonde pour qu’elle rencontre la surface.

Séparation de la sonde et gonflage du bouclier thermique

Une fois le périastre assez bas, le module de descente du rover Titan 1 est séparé. Puis on gonfle le bouclier gonflable afin de traverser l’atmosphère de Titan.

Traversée de l’atmosphère de Titan

L’atmosphère de Titan étant tellement dense et très haut (120km), la rentrée atmosphérique est assez facile, le bouclier thermique n’atteignant que 35% de sa température critique. De même, la vitesse du module chute rapidement, ce qui a permis de se passer d’un parachute de freinage.

Séparation de la coiffe, ouverture de l’antenne et déclenchement du parachute à 10 000m

Une fois la vitesse assez basse, a 50 m/s, la coiffe est séparée. Le Comunitron 10 est déployé, et les expériences scientifiques commencent, pour enregistrer les paramètres de l’atmosphère de Titan. Enfin, à 10 000m d’altitude, le parachute est déclenché. On remarque ici que l’atterrissage se fait malheureusement de nuit.

Largage du module de descente et du bouclier thermique avec separatrons

A 500m du sol, le reste du module de descente est largué et 2 séparatrons sont allumées à 1% de leur puissance pour éloigner le module, afin que le rover n’atterrisse pas dessus et se retourne. C’est pour la même raison que le bouclier thermique est resté accroché si longtemps au module de descente. L’atmosphère de Titan est si dense qu’elle annule rapidement la vitesse horizontale du module, si bien qu’à l’entrainement, le rover atterrissait sur le bouclier thermique.

Stabilisation du rover

Le rover est stabilisé grâce à sa roue de réaction. De même, les freins sont déclenchés et les lampes allumées. On peut admirer ici Saturne caché par une montagne de Titan.

Atterrissage

L’atterrissage se faisant de nuit, et les lampes s’avérant pas assez puissantes, aucune photo de l’atterrissage n’a pu être prise. Le rover attends la journée suivante pour opérer.

Annalyses

Une fois le jour arrivée, le rover commence ses analyses scientifiques, ses échantillons de surface ou ses photos. Le rover a atterri dans une plaine entourée de montagne, ce qui est assez chanceux au vue des fortes pentes aux alentours

Transmission des données

Les résultats des expériences sont stockés, attendant qu’une communication stable soit établi avec la Terre ou un relais. Une fois fait, le rover déploie son Communitron 88-88 sur son extendatron. Le rover aura accumulé auparavant suffisamment d’énergie pour permettre cette transmission.

Exploration du terrain

Le rover part à l’exploration de Titan, ses batteries couplés à des générateurs électriques à radioisotopes lui fournissant une énergie pour une longue durée, tandis que sa vitesse maximale de 10 m/s lui permettre de parcourir de longues distances.

Passage à faible altitude (140 km) de Rhéa

Pendant ce temps, la sonde Saturne 1 opère différentes manœuvres pour s’approcher assez prêt des lunes de Saturne et mener des expériences scientifiques.

Passage à faible altitude (102 km) de Dioné

Passage à 2518 km de Tehys

Passage à 16 947km de Encelade

Passage à 22 km de Mimas

Désintégration dans l’atmosphère de Saturne

Puis, une fois que son deltaV restant est inférieur à 1000m/s, la sonde modifie une dernière fois sa trajectoire pour rejoindre l’étage de transfert en se consumant dans l’atmosphère de Saturne, évitant tout contamination.

Partie 4 : Conclusion

Je suis assez satisfait de ce que j’ai proposé pour ce challenge, qui était mon premier. J’avais peu d’expériences dans KSP, et aucune avec des mods, mais cela a été assez simple finalement, mis à part quelques problèmes d’installation. J’ai découvert des mods très intéressant, notamment pour de nouveaux composants ou un système réel. C’est le lancement le plus ambitieux que j’avais jusque-là fait, avec de nombreux changements de contrôle de vaisseau. J’ai dû relancer de nombreuses fois ce vols à cause nombreux oublis (comme les séparatrons sur le module de descente), mais cela a été extrêmement enrichissant. Même si ce challenge a été assez chronophage, notamment à cause des longs temps d’allumage des moteurs ou l’avance rapide qui n’est pas assez rapide pour les 7 ans de voyage jusqu’à Saturne, je re regrette pas d’y avoir participer, car il a occupé mes après-midis de confinement. Si je devais améliorer quelque chose, je pense que j’optimiserai mes trajectoires, avec pourquoi pas des assistances gravitationnelles, mais je n’ai absolument aucune idée de comment les faire sur KSP.