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Moteur-fusée
Moteur Vulcain de la fusée Ariane au Musée des Sciences et des Techniques de la Villette à Paris.
Moteur Vulcain de la fusée Ariane au Musée des Sciences et des Techniques de la Villette à Paris.

Les moteurs-fusées sont des moteurs à réaction utilisés sur les fusées, dont certains sont prévus pour fonctionner aussi bien dans, que hors de l'atmosphère terrestre. Ils embarquent, en plus de leur carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.), un comburant (Un comburant est un corps chimique qui a pour propriété de permettre la combustion d'un combustible. Le principal comburant est le dioxygène.).

Il existe deux grandes catégories de moteurs-fusées :

  • moteur-fusées à ergols solides ;
  • moteurs-fusées à ergols liquides.

Carburant/comburant

Différents couples carburant/comburant, peuvent être utilisés dans ces moteurs.

  • Poudre+oxygène. Utilisé pour les fusées de feux d'artifice ainsi qu'en appoint de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) au décollage des avions très gros porteurs et des fusées de lancement de véhicules spatiaux.
  • Hydrogène+oxygène. extrèmement difficile à utiliser à cause de l'inflammabilité de l'hydrogène, ce couple est dangereux d'utilisation du fait des risques élevés d'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue...). Il est employé par la navette spatiale (Une navette spatiale, dans le domaine de l’astronautique, est un véhicule aérospatial réutilisable conçu pour assurer la desserte des stations...) américaine (avec ses boosters à poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au dixième de...) pour l'ascension primaire). Il est également utilisé par le moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une...) Snecma (Le Groupe Snecma est l'ancien nom d'un ensemble intégré au Groupe Safran. Cet ensemble comprend diverses entreprises dont la principale est la Snecma.) HM7-B (Ariane 4) et par les moteurs Vulcain et Vulcain 2 (Ariane 5).
  • Kérosène+oxygène. Facile d'emploi mais moins performant que le couple Hydrogène+oxygène. Il est utilisé par les fusées Soyouz (Soyouz (du russe Союз, Union) désigne une famille de vaisseaux spatiaux habités soviétiques , puis russes après l'éclatement de...) et était utilisé par le premier étage de la fusée lunaire (Pour les homonymes, voir Pierrot lunaire, une œuvre de musique vocale d'Arnold Schönberg.) Saturn 5.
  • Métal+oxygène. Dans certains cas, on utilise l'oxydation rapide de métaux simples comme réaction chimique. Pour cela, il faut pulvériser le métal afin d'augmenter 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 avec sa mesure, sa...) de combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.), certaines poudres sont ainsi faites en utilisant de l'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.), du soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.), du magnésium (comme dans certaines anciennes lampes flash photographiques), ou du lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.).

De manière générale, les carburants les plus courants (et les plus simples) sont :

  • Hydrogène
  • Lithium
  • Bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.)
  • 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.)
  • Sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à...)
  • Magnésium
  • Aluminium
  • Phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et de numéro atomique 15.)
  • Soufre
  • Potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de l’arabe : القَلْيَه al-qalyah) et de numéro...)
  • Fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans...)

Les comburants les plus simples sont :

  • Oxygène
  • Fluor (Le fluor est un élément chimique de symbole F et de numéro atomique 9. Il s'agit du premier élément de la famille des halogènes, de masse atomique 19.)

Les couples d'ergols les plus courants sont :

  • Oxygène liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) / Kérosène (Soyouz, Saturn 5 (1er étage) )
  • Oxygène liquide / Hydrogène liquide[LH2 ( Sigles de quatre lettres Sigles de cinq lettres Sigles de six lettres Sigles de sept lettres et plus )] (navette spatiale, Ariane 5 (Ariane 5 est un lanceur de l'Agence spatiale européenne (ESA), développé pour placer des satellites sur orbite géostationnaire et des...), Delta IV, Energia, Saturn 5 (2e et 3e étage) )
  • Tétraoxyde d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant majoritaire de...) (N2O4) / diméthylhydrazine asymétrique (UDMH) (Proton, Ariane 1 à 4 (1er et 2e étage), Vanguard)

Pour donner un exemple de la complexité réelle (au-delà des informations de base données plus haut), dans le cas, très médiatisé, des boosters de la navette (Une navette spatiale, dans le domaine de l'astronautique, est un véhicule aérospatial réutilisable conçu pour assurer la desserte des stations spatiales en orbite basse mais pouvant aussi assurer...) spatiale américaine, la mixture d'ergol (Un ergol, dans le domaine de l'astronautique, est une substance homogène employée seule ou en association avec d'autres substances et...) dans chaque 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...) de booster (Le nom de booster (ou propulseur d'appoint) est donné au moteur-fusée qui est attaché aux navettes spatiales américaines.[1] Par généralisation, le terme...) consiste en (% massiques) :

  • 69,6 % de perchlorate d'ammonium - le comburant / oxydant
  • 16 % d'aluminium - le carburant
  • 12,04 % de polymère qui permet de lier les deux composants
  • 1,96 % d'un agent de nettoyage époxy
  • 0,4 % d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion...) de fer - catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie...)

Moteurs à ergols liquide

Ces moteurs utilisent des ergols stockés dans des réservoirs séparés, qui sont injectés 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 entre des éléments...) puis éjectés par la tuyère, générant la poussée.

Exemple : Soyouz, booster d'Energia,

Moteurs à ergols hypergoliques

Les ergols hypergoliques ont la particularité de s'embraser spontanément lorsqu'ils sont mis en contact, ce qui permet de simplifier le moteur.

Exemple : le moteur de remontée du module lunaire (Le module lunaire ou Lunar Excursion Module (LEM) ou Lunar Module(LM) ou alunisseur, est un engin utilisé pour se poser sur la Lune lors des missions Apollo 11 à...) du programme Apollo (Le programme Apollo est le programme spatial de la NASA mené durant la période 1961 – 1975 qui a permis aux États-Unis d'envoyer pour la première fois des hommes sur la Lune. Il fut lancé...), les moteurs de manœuvre de la navette spatiale.

Moteurs à ergols cryogéniques

Ces moteurs utilisent des ergols cryogéniques stockés à très basses températures. Le seul couple d'ergols de ce type utilisé en situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus...) réelle est Oxygène liquide / Hydrogène liquide.

Exemple : moteur principal de la navette spatiale américaine, moteur principal d'Ariane 5, moteur principal d'Energia.

Moteurs à ergols solides

Ces moteurs utilisent un mélange d'ergols sous forme solide. On utilise alors le terme de 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...) pour désigner un mélange oxydant/réducteur autonome ou semi-propergol lorsqu'un autre composant doit être apporté (par exemple : air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...) dans un statoréacteur).

Les moteurs à propergol solide sont constitués d'un corps de propulseur (Un corps de propulseur, dans le domaine de l'astronautique, est l'enveloppe d'un propulseur à poudre. Le corps de propulseur est dit :) rempli de propergol qui peut être mis en forme à part puis mis en place dans le corps de propulseur, ou bien coulé puis cuit in situ dans le corps de propulseur, ce qui est généralement le cas pour les gros propulseurs récents.

La combustion se déroule idéalement en couches parallèles. La géométrie initiale du bloc de propergol fixe alors la loi d'évolution de surface du bloc, donc sa loi de débit et de poussée. Les géométries les plus courantes sont :

  • à combustion frontale : le bloc brûle "en cigarette", c’est-à-dire avec une surface de combustion faible en regard du 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.) mais constante ;
  • avec un canal : un canal est pratiqué dans l'axe du bloc et la combustion évolue radialement. Le canal peut être axisymétrique ou présenter un motif particulier, souvent en étoile.

Exemple de moteurs à propergol solide : boosters à poudre de la navette spatiale américaine, boosters à poudre d'Ariane 5, les russes ont aussi utilisé quelquefois ces moteurs, la plupart des propulseurs de missiles tactiques ou balistiques.

Sujet proche

On se demande parfois pourquoi la flamme produite à la sortie du moteur de fusée ne remonte pas jusque dans les réservoirs et n'enflamme pas son contenu de manière brutale. En fait, il s'agit simplement du fait que la vitesse (On distingue :) d'éjection du produit de combustion est largement plus importante que la vitesse de propagation de la réaction chimique. Il se maintient ainsi une flamme qui ne démarre qu'à une certaine distance de la bouche du réacteur.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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