Fusée (astronautique) - Définition
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Introduction
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 et le comburant nécessaires à son fonctionnement. Une fusée comprend plusieurs étages pour maximiser sa capacité d'emport. Les plus grosses fusées construites, comme Saturn V, permettent de placer jusqu'à 150 tonnes en orbite basse.
La science des fusées a été théorisée par le Russe Constantin Tsiolkovski à la fin du XIXe siècle et mise en pratique peu avant la Seconde 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 des satellites à des fins commerciales ou de recherche, envoyer des sondes spatiales vers les autres planètes du système solaire et envoyer des hommes dans l'espace. La technologie des fusées n'évolue pratiquement plus depuis la fin des années 1960.
Principes de fonctionnement
Principe de la réaction
La fusée utilise le principe de la force de réaction en accélérant et éjectant derrière elle de la matière, à l'aide d'un (ou de plusieurs) moteur-fusée(s).
C'est la pression interne exercée contre la paroi située du côté opposé 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 de la poussée la plus forte.
Fonctionnement du moteur-fusée
Comme dans un moteur de voiture, la propulsion par un moteur-fusée utilise l'énergie dégagée par la combustion d'un carburant avec un comburant. Le moteur-fusée comporte deux éléments essentiels : la chambre de combustion et la tuyère. Dans les moteurs à propergol liquide, ceux-ci sont injectés en grande quantité et sous forte pression dans la chambre de combustion, grâce à des pompes surpuissantes : les turbopompes .
À la différence d'un moteur classique :
- le comburant (par exemple l'oxygène) est stocké dans la fusée et non pas aspiré dans l'atmosphère ce qui permet à la fusée de fonctionner dans le vide ;
- la propulsion est obtenue par l'expulsion à grande vitesse (entre 2000 et 4 500 m/s selon le mélange utilisé) des gaz 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 et porte les gaz résultant de la combustion à des températures de plusieurs milliers de degrés. L'énergie thermique est transformée en énergie cinétique avec un rendement qui est bon puisqu'il atteint 50%[réf. souhaitée].
Conservation de la quantité de mouvement
L'accélération obtenue est régie par la loi de la conservation de mouvement : elle est proportionnelle au produit de la masse de gaz expulsée par sa vitesse et divisé par la masse de la fusée.
Plus précisément la loi s'énonce ainsi :
dans laquelle :
- Δv est la variation de vitesse entre le début et la fin de la phase 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 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 massique d'ergol 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) est le quotient de la poussée d'un propulseur, par le produit du débit massique de propergol par la valeur normale de l'accélération de la pesanteur (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, s'exprime en unités de temps (le plus souvent en secondes). Elle indique la durée pendant laquelle un kilogramme de propergol produit une poussée de 1 kilogramme-force, c'est-à-dire 9,81 N :
Impulsions spécifiques des propergols les plus utilisés ou étudiés :
| Mode de propulsion | Isp (en s) | Commentaires |
|---|---|---|
| LO2 . LH2 | 435 | L = liquide |
| LO2 Kérosène | 320 | |
| N2O4 - UDMH | 305 | UDMH (diméthyldrazine asymétrique) très toxique |
| Réacteur nucléaire / échangeur thermique | ~800 | Pas opérationnel à ce jour |
| 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 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 du vol. Ces accélérateurs qui sont généralement à poudre 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. 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.
