Une fusée ne "vole" pas. En effet, elle n'interragit pas avec l'air. Elle se meut par le fameux principe de la réaction. La vitesse se mesure en m/s (unité du Système International). L'accélération se mesure, elle, en m/s/s ou m/s². La force appliquée (dans le cas des fusées, la poussée des moteurs) se mesure en Newtons. Néanmoins, on emploie couramment le KiloGramme-Poids (kgp), équivalent au poids d'un kg, soit 9.8N; et son multiple, la tonne-poids.
Imaginons une masse du 1 kg, soumise à aucune force (isolé, cas qui n'existe en fait pas) ou à des forces qui s'annulent (pseudo-isolé). Sa direction de mouvement ne varie pas, sa vitesse est constante ou nulle. Ainsi, si aucune force parasite ni obstacle n'existaient, il suffirait de lancer une bille pour qu'elle avance à tout jamais dans cette direction.
Si nous appliquons à ce kilogramme une force de 1 N, il accélérera de 1 m/s². Soit une mini-fusée de 10t. Son poids et de 98 000 N. Son moteur exerce vers le haut une poussée de 25 tp. De cette poussée il faut déduire le poids. Il reste 15 tp, appliquées à une masse de 10 tonnes.
accélération = force en N/ masse en kg = 147 000 N / 10 000 kg = 15 m/s². Au fur et à mesure que le carburant se vide, la fusée s'allège, sa masse et son poids diminue, l'accélération devient plus importante. De plus, avec l'éloignement, la gravité a moins de prise sur la fusée.
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En éjectant de la matière dans une direction, on se propulse dans la direction opposée, créant une force dépendant de la masse éjectée par unité de temps et de la vitesse d'éjection. C'est le fameux principe d'action-réaction. En fait, une fusée ou un jet et d'avantage propulsée par un autre principe basé sur la pression exercé par le mélange en combustion sur les paroi de la chambre de combsution:
les forces F1 et F2, exervées sur les parois de la chambres s'annulent. En revanche, F3 n'est pas annulée et fait monter la fusée.
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Le seul moyen connu actuellement pour arracher une fusée à l'attraction terrestre est la propulsion chimique. Dans l'espace, d'autres procédés sont utilisables.
Les réacteurs d'avions emploient la combustion de l'air, préalablement comprimé, et d'un carburant, généralement le kérosène. Ce procédé pourrait être employé sur les lanceurs spatiaux pour la première phase de leur vol (avant la sortie de l'atmosphère). La première étape en ce sens est la fusée Pégasus américaine, tirée en altitude d'un Lockeed L-1011 tristar (initialement d'un B-52), ce qui réduit la charge de travail à effectuer par la fusée (vitesse en altitude à donner au satellite). Les russes étudient la Burkat, lancée à vitesse supersonique d'un bombardier lourd Tupolev160 "Blackjack".
Les fusées emploient des moteurs-fusées (logique, non?). Ceux-ci emportent carburant et comburant (appelés l'un et l'autre ergols) et les mettent en combustion. On distingue les moteurs-fusées à ergols solides et les moteurs-fusées à ergols liquides.
utilise une poudre noyée dans un gel et combinant du carburant (soufre, carbone, amnoniac...) et du comburant (composées oxygénés types sulfates, phosphates, et autres trucs en "ate"). C'est en fait un explosif lent. Au XIe siècle, les chinois inventèrent la poudre à canon (salpètre: K2PO4,riche en oxygène; soufre et charbon), puis construisirent des pétards en bambous censés effrayer les démons. En en voyant faire long feu et s'envoler, ils créérent les premiers feux d'artifice... et les premières roquettes sol-sol!
Voici le shéma d'un moteur-fusée à ergols solides moderne:
Aux extrémités, la zone étoilée et la zone conique voient leur surface de combustion se réduire, tandis que la zone médiane voit la sienne s'agrandir par l'élargissement du "trou" central. La poussée reste donc sensiblement constante. Elle est cependant presque incontrôlable: la combustion continue jusqu'à épuisement de l'ergol sans demander l'avis de personne. On peut parfois la contrôler en ouvrant une vanne à l'autre extrêmité (ce qui crée une contre-poussée mais gaspille du carburant) ou en injectant un fluide qui ralentit la réaction (peu fiable). Ces dispositifs sont peu utilisés. Les missiles de tous types (air-air, sol-air, balistiques...) emploient le plus souvent ce type de moteurs (pas de risques de fuite).
Les moteurs à poudre sont généralement enployés pour des temps de combustion plus courts que ceux à carburant liquide : au maximum un peu plus de deux minutes.
est plus performant, plus souple d'utilisation, généralement moins polluant mais plus coûteux et moins fiable. L'idée remonte au russe Konstantin Tsiolkovski (écrivain de science-fiction, 1857-1935), à la fin du XIXe. Si la désinformation américaine attribue sa mise en application à Robert H. Goddard (1882-1945), qui en 1926 lança une fusée à ergols liquide (kérosène/O2) montant à 30m (!) d'altitude, c'est l'ingénieur péruvien Pedro P. Poulet qui semble avoir été le premier à faire fonctionner (au sol) un tel moteur, dès 1895. Il fonctionnait à l'acide nitrique (HNO3, riche en oxygène) et à l'essence.
Les fussées actuelles emploient les couples d'ergols suivants:
Sur ce shéma figurent en noir les flux d'ergols, en rouge (ronds) les zones de combustion, et sous forme de flèches rouges les flux de gaz chauds. Les machins formés de deux rectangles noirs reliés par un trait sont les turbopompes (voir lexique).
est un concept associant un carburant solide et un comburant liquide. On peut par exemple citer le projet AMROC (avec oxygène liquide) aux USA.
Dans ces trois types de moteurs, les moteurs doivent être
refroidis car ils sont soumis au passage de gaz à de très
hautes températures. On peut employer différentes méthodes :
Ablatif : des matériaux recouvrant l'intérieur de la tuyère
absorbent la chaleur en se sublimant ou en fondant.
Régénératif : sur un moteur à ergols liquides, un des deux
ergols circule dans des tuyaux dans l'épaisseur de la tuyère,
lui prenant de la chaleur. Soit cet ergol est rejeté (cycle
ouvert) soit il est envoyé dans la chambre de combution (cycle
fermé) ce qui est plus difficile à mettre en oeuvre mais plus
économe en ergol.
Par rayonnement : la chaleur du moteur est diffusée dans le
reste de la fusée, qui doit donc être conçue de façon à résister
à une forte température.
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