Section 6 OCOM C232.02 – IDENTIFIER LES CARACTÉRISTIQUES DES MOTEURS-FUSÉES

Toutes les méthodes de propulsion découlent de la troisième loi de Newton, qui stipule qu’il existe une réaction équivalente et opposée pour toute action. Cela est le plus évident lorsque l’action initiale a un effet sur un objet qui est de taille semblable à l’objet qui est soumis à la réaction, tel qu’un nageur qui pousse un objet flottant. Dans ce cas, le nageur est poussé vers l’arrière lorsque l’objet est poussé vers l’avant.

Cependant, lorsque l’objet à pousser est aussi volumineux que la Terre, comme dans le cas d’une personne avançant d’un pas, il n’est pas aussi évident que la Terre se déplace dans le sens opposé lorsque le pas est fait. Par contre, le petit mouvement de la Terre se fait dans le sens opposé. La différence dans la quantité déplacée est proportionnelle à la différence de poids entre la Terre et la personne qui marche de façon à ce que la réaction soit équivalente ainsi qu’opposée.

De la même façon, un véhicule à roues, comme une automobile, pousse sur la Terre lorsqu’il débute son voyage. Puisque l’automobile est beaucoup plus petite que la Terre, la masse plus petite de l’automobile se déplace beaucoup plus que la grande masse de la Terre. Le nageur, la personne qui marche et l’automobile à roues dépendent tous de la traction pour les propulser vers l’avant.

La troisième loi de Newton mentionne également le mouvement d’un aéronef à hélice et d’un aéronef à réaction. Le mouvement vers l’avant de l’aéronef dépend de la poussée des gaz vers l’arrière au lieu de pousser la Terre vers l’arrière. Une hélice pousse l’air vers l’arrière, ce qui s’appelle le souffle de l’hélice. Un moteur à réaction éjecte des gaz d’échappement chauds vers l’arrière. Pour se déplacer dans un sens quelconque, tous les objets et toutes les créatures, qu’elles soient vivantes ou artificielles, doivent pousser la matière de façon quelconque dans le sens opposé.

La troisième loi de Newton stipule qu’il existe une réaction équivalente et opposée pour toute action. La troisième loi peut être interprétée correctement pour signifier qu’il doit y avoir une action équivalente et opposée pour chaque réaction désirée.

Une fusée en ballon fonctionnerait dans l’espace. L’air qui est éjecté du ballon produirait la même réaction équivalente et opposée dans l’espace qu’elle produit dans l’atmosphère terrestre, sauf que la traînée de forme de l’atmosphère ne ralentirait pas la course du ballon. La performance de la fusée en ballon serait améliorée dans l’espace, sans la traînée de forme de l’air.

Un système de propulsion réactive peut fonctionner en éjectant n’importe quelle matière. Cependant, plus la vitesse de la matière éjectée est élevée, plus la force propulsive résultante est grande. Pour accroître la vitesse d’éjection, la matière est souvent chauffée afin de créer de la pression. C’est la solution de choix depuis que Héron a utilisé de la vapeur pour faire fonctionner son éolipyle.

Présenter aux cadets un transparent ou distribuer les documents de cours portant sur l’éolipyle, qui se trouvent à la figure B-1.

Dans les années 150 av. J.-C., Héron d’Alexandrie a inventé une sphère qui ressemblait à une fusée, nommée éolipyle, qui utilisait la vapeur comme gaz de propulsion. Héron l’avait installée sur une bouilloire. Un feu sous la bouilloire transformait l’eau en vapeur et celle-ci circulait dans des tubes jusqu’à l’éolipyle. Deux tubes en L placés des deux côtés de la sphère laissaient la vapeur s’échapper; ce qui donnait la poussée à la sphère et la faisait tourner.

Dans les fusées contemporaines, la matière à éjecter est chauffée, la plupart du temps par une combustion, même si d’autres méthodes peuvent être utilisées. Les systèmes de combustion des fusées fonctionnent dans l’espace, car ils sont autonomes et n’ont pas besoin de l’oxygène de l’air.

Présenter aux cadets un transparent ou distribuer les documents de cours portant sur la combustion, qui se trouvent à la figure B-2.

La combustion dans un moteur-fusée ou un moteur à réaction nécessite une oxydation rapide du carburant. Un moteur à réaction obtient de l’oxygène en l’aspirant de l’air environnant; la portée d’un réacteur est donc limitée à l’atmosphère. Une fusée crée la poussée de la même façon qu’un aéronef à réaction, mais elle transporte sa propre alimentation en oxygène. Les moteurs-fusées et les moteurs à réaction ont tous les deux des tuyères pour produire la poussée.

Présenter aux cadets un transparent ou distribuer les documents de cours portant sur une tuyère de fusée, qui se trouvent à la figure B-3.

Le moteur-fusée utilise une tuyère pour accélérer l’échappement des gaz chauds afin de produire de la poussée, tel que décrit par la troisième loi de Newton. La quantité de poussée produite par le moteur, à n’importe quel moment donné, dépend de la quantité de gaz éjecté chaque seconde et de sa vitesse. Ces facteurs sont déterminés par le modèle de tuyère de la fusée.

Une fusée fonctionne dans l’espace, car elle transporte tout ce dont elle a besoin.

L’atmosphère de la Terre se compose principalement d’azote. L’oxygène représente seulement un cinquième de la composition de l’atmosphère. Ainsi, le fait d’entreposer seulement de l’air pour la combustion gaspillerait la plus grande partie de l’espace d’entreposage pour de l’azote non réactif. Pour une bonne utilisation de l’espace d’entreposage, l’oxygène est entreposé sous ses formes les plus pures, y compris l’oxygène liquide ou LOX. Le moteur-fusée peut donc fonctionner pendant une période plus longue dans l’espace.

Il y a trois catégories principales de moteurs-fusées : ceux à propergol liquide et ceux à poudre.

Les propulseurs à propergol liquide, soit le carburant et le comburant, sont entreposés séparément comme liquides et sont pompés dans la chambre de combustion de la tuyère où se produit la combustion.

Les propulseurs à poudre, soit le carburant et le comburant, sont mélangés pour créer un carburant composite, puis compactées dans un cylindre solide. À des températures normales, les propulseurs à poudre ne brûlent pas avant d’être exposés à une source de chaleur fournie par un allumeur. Une fois que la poudre commence à brûler, elle continue jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de propulseur.

Dans le cas des moteurs-fusées à propergol liquide, le pilote peut arrêter ou modifier la poussée en coupant le flux des propulseurs. Par contre, dans le cas des moteurs-fusées à poudre, il faut détruire l’enveloppe pour arrêter le moteur.

Les moteurs-fusées à propergol liquide sont en général plus lourds et plus complexes en raison des pompes et des réservoirs d’entreposage. Les propulseurs sont installés sur la fusée juste avant son lancement. Cependant, le moteur-fusée à poudre est beaucoup plus facile à manipuler et peut ne pas être utilisé pendant des années avant d’être allumé.

Présenter aux cadets un transparent ou distribuer les documents de cours de la figure C-1, Moteur-fusée à poudre, et de la figure C-2, Moteur-fusée à propergol liquide.

Les moteurs-fusées à poudre sont utilisés pour les missiles air-air et air-sol, les modèles réduits de fusées et comme accélérateurs pour les lanceurs de satellite, y compris les deux propulseurs auxiliaires à poudre de la navette spatiale américaine.

Les moteurs-fusées à propergol liquide sont utilisés dans les moteurs principaux de la navette spatiale américaine pour envoyer des humains en orbite, dans plusieurs missiles robots pour envoyer des satellites en orbite et dans plusieurs aéronefs haute-vitesse de recherche.

Dans un moteur-fusée à poudre, le carburant et le comburant sont mélangés jusqu’à ce qu’ils deviennent une poudre, qui est ensuite compactée dans un cylindre solide. Un trou dans le cylindre sert de chambre de combustion. Lorsque le mélange est allumé, la combustion se produit sur la surface du propulseur. Un front de flamme est produit et brûle dans le mélange. La combustion produit une grande quantité de gaz d’échappement à une température et à une pression élevées. La quantité de gaz d’échappement qui est produite dépend de l’endroit du front de flamme; les concepteurs de moteur utilisent une variété de formes de trou pour contrôler le changement de la poussée d’un moteur en particulier. Les gaz d’échappement chauds passent dans une tuyère, ce qui accélère le flux. La poussée est ensuite produite conformément à la troisième loi de Newton.

Dans un moteur-fusée à propergol liquide, le carburant et le comburant entreposés sont pompés dans une chambre de combustion où ils sont mélangés et brûlés. La combustion produit une grande quantité de gaz d’échappement à une température et une pression élevées. Les gaz d’échappement chauds passent dans une tuyère, ce qui accélère le flux. La poussée est ensuite produite conformément à la troisième loi de Newton.

Présenter aux cadets un transparent ou distribuer les documents de cours de la figure C-3, Moteur-fusée à propergol liquide.

Le moteur-fusée à propergol liquide est composé de plusieurs pièces. Pour des fins de conception et d’analyse, les ingénieurs regroupent les pièces qui ont la même fonction en systèmes. Il y a donc quatre systèmes principaux dans une fusée en grandeur réelle : le système structural, le système de charge utile, le système de guidage et le système de propulsion.

Bien que l’âge de la fuséonautique soit souvent considéré comme étant à un stade précoce, plusieurs lanceurs peuvent être explorés. Voici un exemple des lanceurs américains, russes, européens et chinois :

Lanceur américain – Ares

La NASA possède actuellement plusieurs lanceurs qui peuvent être utilisés selon la mission. Dans le cas des vols habités, la série de fusée Ares a été conçue à la suite du Programme de la navette spatiale.

Présenter aux cadets un transparent ou distribuer les documents de cours de la figure D-1, Lanceur Ares I.

Ares I est une fusée en ligne à deux étages surmontée du véhicule d’équipages Orion et de son système d’interruption de lancement. En plus de la mission principale du lanceur, qui est de transporter les équipages de quatre à six astronautes à une orbite terrestre basse (LEO), l’Ares I peut aussi utiliser sa capacité de charge utile de 22.5 tonnes pour livrer des ressources et des approvisionnements à la Station spatiale internationale ou pour « laisser » les charges utiles en orbite pour qu’elles soient récupérées par les engins spatiaux se dirigeant vers la lune ou d’autres destinations.

Le premier étage de l’Ares I est un propulseur auxiliaire à poudre modifié (RSRB) unique et à cinq segments, qui est un dérivé du moteur-fusée à poudre réutilisable du Programme de la navette spatiale et qui brûle un propulseur à poudre à formule et à forme spéciales.

Le deuxième étage de l’Ares I, ou étape supérieur, est propulsé par un moteur principal J-2X qui est alimenté d’oxygène liquide et d’hydrogène liquide.

Présenter aux cadets un transparent ou distribuer les documents de cours de la figure D-2, Lanceur Ares V.

Le premier étage du lanceur Ares V compte sur deux propulseurs auxiliaires à poudre modifié à cinq segments pour le décollage. Les deux propulseurs du premier étage bordent un simple élément d’accélération central à propergol liquide.

Le réservoir du propulseur central envoie l’oxygène liquide et l’hydrogène liquide aux cinq moteurs-fusées RS-68. Ces moteurs-fusées servent d’étage principal de propulsion de l’Ares.

En haut de l’élément de propulsion central se trouve un cylindre interétage, qui comprend les moteurs de séparation du propulseur et un adaptateur avant de conception nouvelle qui relie le premier étage à l’étage de décollage de la Terre. Le moteur principal J-2X, qui est alimenté d’oxygène liquide et d’hydrogène liquide, propulse l’étage de décollage de la Terre; il s’agit du même moteur J-2X qui est utilisé dans l’étage supérieur de l’Ares I.

Lanceur russe – Proton

Présenter aux cadets un transparent ou distribuer les documents de cours de la figure D-3, Lanceur Proton.

Les moteurs du lanceur Proton brûlent un propergol liquide qui se nomme l’hydrazine (UDMH) avec un comburant qui se nomme tétraoxyde de diazote. Le tétraoxyde de diazote et l’hydrazine s’enflamment lorsqu’ils entrent en contact, sans allumage; on dit alors qu’ils sont hypergoliques.

Le lanceur Proton est actuellement utilisé pour les programmes nationaux et les lancements commerciaux de satellites étrangers. Le lanceur Proton est conçu comme lanceur tandem disponible en modèle à trois étages et à quatre étages.

Lanceur européen – Ariane 5

Présenter aux cadets un transparent ou distribuer les documents de cours de la figure D-4, Lanceur Ariane.

L’étage principal cryogénique d’Ariane 5 est désigné sous le nom de « EPC » en raison de son titre français Etage Principal Cryotechnique. L’EPC est essentiellement composé d’un réservoir en aluminium doté de deux compartiments : un pour l’oxygène liquide et un pour l’hydrogène liquide. Les deux propulseurs sont fabriqués à des usines situées dans le port spatial de l’Europe en Guyane française.

Chacun pesant 37 tonnes lorsqu’ils sont vides, les SRB fournissent 1100 tonnes de poussée, environ 92 % de la poussée totale au décollage.

Lanceurs chinois – Fusées Changzheng (Long March)

Présenter aux cadets un transparent ou distribuer les documents de cours de la figure D-5, Lanceur Changzheng.

Les principaux étages et les fusées de lancement des fusées Long March utilisent des propulseurs à propergol liquide stockable avec l’hydrazine comme carburant et le tétraoxyde de diazote comme agent oxydant; il s’agit du même système hypergolique utilisé dans la fusée Proton, tel que présenté ci-dessus. Les étages supérieurs des fusées Long March CZ-3A et CZ-3B utilisent l’hydrogène liquide (LH2) comme carburant et l’oxygène liquide (LOX) comme comburant.