Fusée (astronautique) - Définition et Explications

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Introduction

Décollage de la fusée Saturn V de la mission Apollo 11

Une fusée en astronautique est un véhicule qui se déplace dans l'espace grâce à un moteur-fusée en emportant à la fois le combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) et le comburant (Un comburant est un corps chimique qui a pour propriété de permettre la combustion d'un...) nécessaires à son fonctionnement. Une fusée (Fusée peut faire référence à :) comprend plusieurs étages pour maximiser sa capacité d'emport. Les plus grosses fusées construites, comme Saturn V (Saturn V est la fusée spatiale qui a été utilisée par la NASA pour les...), permettent de placer jusqu'à 150 tonnes en orbite basse (L'orbite terrestre basse (Low Earth orbit, LEO, en anglais) est un type d'orbite terrestre situé...).

La science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) des fusées a été théorisée par le Russe Constantin Tsiolkovski (Constantin Edouardovitch Tsiolkovski (en russe ?????????? ?????????? ???????????) naît en Russie...) à la fin du XIXe siècle et mise en pratique peu avant la Seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) Guerre mondiale par les chercheurs allemands à des fins militaires. À compter de la fin des années 1950, les fusées ont été utilisées pour mettre en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) des satellites à des fins commerciales ou de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...), envoyer des sondes spatiales vers les autres planètes du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...) et envoyer des hommes dans l'espace. La technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) des fusées n'évolue pratiquement plus depuis la fin des années 1960.

Principes de fonctionnement

Principe de la réaction

Schéma de principe de la réaction

La fusée utilise le principe de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de réaction en accélérant et éjectant derrière elle de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...), à l'aide d'un (ou de plusieurs) moteur-fusée(s).

C'est la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) exercée contre la paroi située du côté opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à...) à celui où se trouve l'orifice de sortie (tuyère) qui, étant supérieure à la pression ambiante fait se déplacer le corps de la fusée dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) de la poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air...) la plus forte.

Fonctionnement du moteur-fusée (Les moteurs-fusées sont des moteurs à réaction utilisés sur les...)

Comme dans un moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) de voiture, la propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant....) par un moteur-fusée utilise l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) dégagée par la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...) d'un carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme...) avec un comburant. Le moteur-fusée comporte deux éléments essentiels : la chambre de combustion (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et...) et la tuyère (Une tuyère ou tuyère propulsive, dans le domaine de l'astronautique, est un conduit (appelé...). Dans les moteurs à propergol liquide (En astronautique, on appelle propergol liquide tout système chimique composé d'un ou...), ceux-ci sont injectés en grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) et sous forte pression dans la chambre de combustion, grâce à des pompes surpuissantes : les turbopompes .

À la différence d'un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) classique :

  • le comburant (par exemple l'oxygène) est stocké dans la fusée et non pas aspiré dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) ce qui permet à la fusée de fonctionner dans le vide ;
  • la propulsion est obtenue par l'expulsion à grande vitesse (On distingue :) (entre 2000 et 4 500 m/s selon le mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) utilisé) des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) résultant de la combustion sur l'arrière de la fusée qui par contrecoup accélèrent la fusée.

La combustion est une réaction chimique qui fait intervenir un réducteur (le carburant) et un oxydant (le comburant). Elle est fortement exothermique c'est-à-dire qu'elle dégage de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) et porte les gaz résultant de la combustion à des températures de plusieurs milliers de degrés. L'énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation...) est transformée en énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) avec un rendement qui est bon puisqu'il atteint 50%[réf. souhaitée].

Conservation de la quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse...)

L'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) obtenue est régie par la loi de la conservation de mouvement : elle est proportionnelle au produit de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) de gaz expulsée par sa vitesse et divisé par la masse de la fusée.

Plus précisément la loi s'énonce ainsi :

\Delta v = v_e \, \ln \frac{m_0}{m_1}

dans laquelle :

  • Δv est la variation de vitesse entre le début et la fin de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) propulsée considérée, exprimée en m/s ;
  • ve est la vitesse d'éjection des gaz, exprimée en m/s ;
  • m0 est la masse totale de l'astronef au début de la phase propulsée ;
  • m1 est la masse totale de l'astronef à l'issue de la phase propulsée, exprimée dans la même unité que m0.

Cette équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) est établie en intégrant l'équation de conservation de la quantité de mouvement entre le début et la fin de la phase propulsée sous les hypothèses suivantes :

  • l'étude du mouvement est faite dans un référentiel d'inertie ;
  • l'astronef n'est soumis qu'à la force de poussée fournie par ses moteurs, aucune autre action extérieure (gravité, efforts aérodynamiques) n'est prise en compte ;
  • le débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers...) massique d'ergol (Un ergol, dans le domaine de l'astronautique, est une substance homogène employée seule ou en...) est constant pendant la phase de propulsion ;
  • la vitesse d'éjection des gaz est elle aussi constante.

Impulsion spécifique (L'impulsion spécifique (notée généralement Isp), dans le domaine de l'astronautique, est le...)

L'impulsion spécifique (notée généralement Isp) est le quotient de la poussée d'un propulseur, par le produit du débit massique de propergol (Un propergol, dans le domaine de l'astronautique, est un produit constitué par un ou plusieurs...) par la valeur normale de l'accélération de la pesanteur (Le champ de pesanteur (ou plus couramment pesanteur) est un champ attractif auquel sont soumis tous...) (ou débit-poids du propergol éjecté). À poussée égale, plus l'Isp d'un propulseur est grande, moins il consomme d'ergols. L'impulsion spécifique, homogène à un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...), s'exprime en unités de temps (le plus souvent en secondes). Elle indique la durée pendant laquelle un kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse dans le Système international...) de propergol produit une poussée de 1 kilogramme-force, c'est-à-dire 9,81 N :

I_{sp}= \frac{F}{qg_{0}}
avec F la poussée, q le débit massique d'éjection des gaz et g0 l'accélération de la pesanteur.

Impulsions spécifiques des propergols les plus utilisés ou étudiés :

Mode de propulsion Isp (en s) Commentaires
LO2 . LH2 435 L = liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...)
LO2 Kérosène (Le kérosène est un mélange d'hydrocarbures contenant des alcanes (CnH2n+2) de...) 320
N2O4 - UDMH 305 UDMH (diméthyldrazine asymétrique) très toxique
Réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est...) / échangeur thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) ~800 Pas opérationnel à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...)
Propulseur électrique 1500 à 2000 Problème de rendement énergétique (solution à long terme)

Etagement

On démontre qu'une fusée composée d'un seul étage ne peut placer en orbite une charge utile (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) même si elle utilise les ergols les plus performants et que son indice constructif est particulièrement faible.

Pour optimiser ses performances, une fusée doit donc être multiétages : chaque étage est doté de son ou de ses propres moteurs-fusées et est largué lorsque le carburant est épuisé. Le moteur de l'étage suivant est alors allumé.

Le premier étage des lanceurs modernes est souvent constitué d'un étage principal flanqué d'étages appelés accélérateurs dont le rôle est de fournir une poussée additionnelle durant les premières minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un...) du vol. Ces accélérateurs qui sont généralement à poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent...) peuvent avoir une poussée supérieure au premier étage (Ariane 5) proprement dit mais sont largués longtemps avant que le premier étage ait épuisé son carburant.

Traditionnellement les lanceurs spatiaux ont 3 étages (Ariane 1 et 4, Saturn V) ou 2 étages + accélérateurs accolés au 1er étage (Ariane 5, ...). Le dernier étage propulsif communique la part la plus importante de la vitesse horizontale au satellite (Satellite peut faire référence à :). Pour augmenter ses performances, on choisit souvent une propulsion cryogénique. Cet étage dans les lanceurs les plus sophistiqués peut être éteint et rallumé plusieurs fois ce qui donne plus de souplesse pour mettre en place les charges utiles sur leurs orbites.

Équilibre des forces aérodynamiques

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