Fusée
Caractéristiques générales et principes de fonctionnement
La fusée se distingue du turboréacteur et des autres moteurs « aérobies » par le fait que la totalité du jet d’échappement est constituée des produits de combustion gazeux des « propergols » embarqués. Comme le turboréacteur, la fusée développe une poussée par l’éjection vers l’arrière de la masse à très grande vitesse.
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Le principe physique fondamental impliqué dans la propulsion des fusées a été formulé par Sir Isaac Newton. Selon sa troisième loi du mouvement, la fusée connaît une augmentation de sa quantité de mouvement proportionnelle à la quantité de mouvement emportée dans l’échappement,
où M est la masse de la fusée, ΔvR est l’augmentation de la vitesse de la fusée dans un court intervalle de temps, Δt, m° est le taux de décharge de la masse dans l’échappement, ve est la vitesse effective de l’échappement (presque égale à la vitesse du jet et prise par rapport à la fusée), et F est la force. La quantité m°ve est la force propulsive, ou poussée, produite sur la fusée par l’échappement du propergol,
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Il est évident que la poussée peut être rendue importante en utilisant un taux de décharge de masse élevé ou une vitesse d’échappement élevée. Employer un m° élevé consomme rapidement la réserve de propergol (ou nécessite une grande réserve), et il est donc préférable de rechercher des valeurs élevées de ve. La valeur de ve est limitée par des considérations pratiques, déterminées par la façon dont l’échappement est accéléré dans la tuyère supersonique et quelle alimentation en énergie est disponible pour le chauffage du propergol.
La plupart des fusées tirent leur énergie sous forme thermique par la combustion de propergols en phase condensée à haute pression. Les produits de combustion gazeux sont évacués par la tuyère qui convertit la majeure partie de l’énergie thermique en énergie cinétique. La quantité maximale d’énergie disponible est limitée à celle fournie par la combustion ou par des considérations pratiques imposées par la température élevée. Des énergies plus élevées sont possibles si d’autres sources d’énergie (par exemple, le chauffage électrique ou par micro-ondes) sont utilisées en conjonction avec les propergols chimiques à bord des fusées, et des énergies extrêmement élevées sont réalisables lorsque l’échappement est accéléré par des moyens électromagnétiques.
La vitesse effective d’échappement est le chiffre de mérite de la propulsion par fusée parce qu’elle est une mesure de la poussée par unité de masse de propergol consommée – c’est-à-dire..,
Les valeurs de ve sont de l’ordre de 2 000 à 5 000 mètres (6 500 à 16 400 pieds) par seconde pour les propergols chimiques, tandis que des valeurs deux ou trois fois supérieures sont revendiquées pour les propergols à chauffage électrique. Des valeurs supérieures à 40 000 mètres (131 000 pieds) par seconde sont prévues pour les systèmes utilisant l’accélération électromagnétique. Dans les milieux de l’ingénierie, notamment aux États-Unis, la vitesse d’échappement effective est largement exprimée en unités de secondes, ce qui est appelé l’impulsion spécifique. Les valeurs en secondes sont obtenues en divisant les vitesses d’échappement effectives par le facteur constant de 9,81 mètres par seconde au carré (32,2 pieds par seconde au carré).
Dans une mission typique de fusée chimique, entre 50 et 95 pour cent ou plus de la masse de décollage est constituée de propergol. Ceci peut être mis en perspective par l’équation de la vitesse de combustion (en supposant un vol sans gravité et sans traînée),
Dans cette expression, Ms/Mp est le rapport entre la masse du système de propulsion et de la structure et la masse du propergol, avec une valeur typique de 0,09 (le symbole ln représente le logarithme naturel). Mp/Mo est le rapport entre la masse du propergol et la masse totale au décollage, avec une valeur typique de 0,90. Une valeur typique de ve pour un système hydrogène-oxygène est de 3 536 mètres (11 601 pieds) par seconde. L’équation ci-dessus permet de calculer le rapport entre la masse de la charge utile et la masse au décollage (Mpay/Mo). Pour une orbite terrestre basse, vb est d’environ 7 544 mètres (24 751 pieds) par seconde, ce qui implique que Mpay/Mo soit de 0,0374. En d’autres termes, il faudrait un système de décollage de 1 337 000 kg (2 948 000 livres) pour placer 50 000 kg (110 000 livres) sur une orbite basse autour de la Terre. Il s’agit d’un calcul optimiste car l’équation (4) ne tient pas compte de l’effet de la gravité, de la traînée ou des corrections directionnelles pendant l’ascension, qui augmenteraient sensiblement la masse au décollage. À partir de l’équation (4), il est évident qu’il y a un compromis direct entre Ms et Mpay, de sorte que tous les efforts sont faits pour concevoir une faible masse structurelle, et que Ms/Mp est un deuxième facteur de mérite pour le système de propulsion. Si les différents rapports de masse choisis dépendent fortement de la mission, les charges utiles des fusées représentent généralement une petite partie de la masse au décollage.
Une technique appelée étagement multiple est utilisée dans de nombreuses missions pour minimiser la taille du véhicule de décollage. Un véhicule de lancement transporte une deuxième fusée comme charge utile, qui sera tirée après la combustion du premier étage (qui est laissé derrière). De cette façon, les composants inertes du premier étage ne sont pas portés à la vitesse finale, la poussée du deuxième étage étant appliquée plus efficacement à la charge utile. La plupart des vols spatiaux utilisent au moins deux étages. La stratégie est étendue à un plus grand nombre d’étages pour les missions nécessitant des vitesses très élevées. Les missions lunaires habitées américaines Apollo ont utilisé un total de six étages.
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Les caractéristiques uniques des fusées qui les rendent utiles sont les suivantes :
1. Les fusées peuvent fonctionner aussi bien dans l’espace que dans l’atmosphère terrestre.
2. Elles peuvent être construites pour délivrer une très forte poussée (un booster spatial lourd moderne a une poussée au décollage de 3 800 kilonewtons (850 000 livres).
3. Le système de propulsion peut être relativement simple.
4. Le système de propulsion peut être maintenu dans un état prêt au tir (important dans les systèmes militaires).
5. Les petites fusées peuvent être tirées à partir de diverses plates-formes de lancement, allant des caisses d’emballage aux lanceurs d’épaule en passant par les avions (il n’y a pas de recul).
Ces caractéristiques expliquent non seulement pourquoi tous les records de vitesse et de distance sont établis par des systèmes de fusées (air, terre, espace) mais aussi pourquoi les fusées sont le choix exclusif pour les vols spatiaux. Elles ont également conduit à une transformation de la guerre, tant stratégique que tactique. En effet, l’émergence et l’avancement de la technologie des fusées modernes peuvent être retracés dans les développements d’armes pendant et depuis la Seconde Guerre mondiale, une partie importante étant financée par des initiatives des « agences spatiales » telles que les programmes Ariane, Apollo et la navette spatiale.