Qu'est-ce qu'un lanceur

Dans ce chapitre, je vais vous expliquer comment fonctionne une fusée. La terminologie sera celle qui est la plus courante et je ferai abstraction des cas particuliers.

Fonctionnement d'un lanceur

Le but d'une fusée est de transporter une masse donnée (charge utile) à une altitude donnée (orbite) à une vitesse donnée (28 000 km/h en général). Pour atteindre de tels objectifs, c'est évident qu'il faut déployer une force colossale pendant plusieurs minutes. A titre d'exemple, Ariane 5 développe au décollage une puissance de 1 400 tonnes. Ce qui veut dire que la force exercée d'Ariane 5 permettrait de soulever une masse de 1 400 tonnes, tout compris. Cette puissance est fournie par les moteurs. Dans l'astronautique actuelle, on emploie que 2 modes de propulsion: avec les carburants liquides ou les carburants solides, plus communément appelés poudre.

Le système des carburants liquides part du même principe que celui du moteur de votre voiture à la seule différence que l'oxydant (l'air que l'on respire) doit être stocké dans un réservoir. En effet, le moteur en consomme trop pour pouvoir en puiser suffisamment pour son fonctionnement dans l'atmosphère et est inexistant dans le vide spatial. Le carburant (kérosène par exemple) et le comburant (oxygène liquide ou un dérivé oxygéné) sont mélangés dans la chambre de combustion. Par action chimique (c'est le cas pour les mélanges hypergolites) ou avec l'aide d'une flamme (mélanges non hypergolites) le mélange s'enflamme, produisant des gaz à très haute température et très forte pression. Les gaz s'échappent par la tuyère (action) ce qui entraîne le décollage (réaction). La fusée décolle en puisant dans ses réservoirs. Plus ceux-ci se vident et plus la fusée prend de la vitesse. Une fois vidés, la phase de propulsion du premier étage est terminée. Les moteurs s'éteignent faute d'ergols et l'étage est largué. Le second prend le relais en fonctionnant de la même façon. Souvent, sa vitesse produite, ajoutée à celle déjà fournie par le premier étage, est très importante mais pas encore assez pour atteindre les objectifs fixés. Le troisième étage termine le travail. Une fois les 3 objectifs atteints, le satellite peut être largué. Il filera sur son orbite et commencera alors sa mission.

Le système des carburants solides reprend les mêmes étapes pour le lancement. Seul diffère son fonctionnement par rapport à celui des carburants liquides. Le moteur à carburant solide est beaucoup plus simple. Il fonctionne exactement comme une fusée d'artifice. Un pain de poudre à l'intérieur de l'étage est allumé par un système pyrotechnique. Les gaz produits par la combustion sortent par la tuyère (action) et la fusée décolle (réaction). La combustion de poudre ne se produit pas du bas vers le haut mais de l'intérieur vers l'extérieur. De cette façon, la surface de poudre consommée est plus importante mais la puissance aussi. Et pour avoir une surface de consommation plus importante encore, certaines parties du moteur n'ont pas une cheminée de combustion tubulaire mais en forme d'étoile. A titre d'information, un booster de la navette brûle 500 tonnes de poudre en 2 minutes. Sa poussée est d'au moins 1 200 tonnes au décollage.

Anatomie d'une fusée

Coupe du lanceur européen Ariane 5 - Photo ESA. Agrandir

Nous venons de voir les objectifs d'une fusée et comment elle fonctionnait. Reste à voir de quoi elle est composée. Tous les lanceurs partent du même design: étages propulsifs + compartiment charge utile.

Les étages:

Les étages sont la partie la plus importante d'un lanceur en terme de taille. Ils sont constitués d'un réservoir de carburant et un réservoir de comburant qui alimentent le ou les moteurs. Leurs parois sont souvent en aluminium et l'épaisseur ne dépasse pas les 2 mm. A la base de l'étage se trouve le bloc moteurs. Selon la puissance à développer pour soulever la fusée, le nombre de moteurs peut changer d'un lanceur à l'autre. Ainsi, Ariane 5 possède au décollage 1 seul moteur, tandis qu'Ariane 4 en possède 4. Parfois, la puissance n'est pas suffisante pour faire décoller la fusée. Dans ce cas là, on adjoindra des boosters. Les boosters se sont des étages à proprement parlé, accolés à l'étage qui permet le décollage. Souvent, les boosters sont optionnels. C'est le cas pour Ariane 4 par exemple mais pas pour Ariane 5, qui sont indispensables. Les moteurs assurent le pilotage de la fusée. Des vérins permettent d'orienter la tuyère et donc d'orienter la sortie des gaz. Cette action a pour effet de conduire la fusée à une position voulue. C'est ainsi que la navette peut être couchée sur le dos (60° par rapport à la ligne d'horizon), ce qui lui facilite son ascension. Les ordres de commande sont envoyés, non pas du sol, mais depuis l'ordinateur de bord dans lequel sont enregistrés tous les paramètres de la trajectoire à suivre.

Le compartiment charge utile:

Cette partie de la fusée est divisée en 2: le compartiment charge utile proprement dit et la case à équipements. Hormis le cas de la navette et de la fusée Energiya, le compartiment charge utile se trouve au sommet de la fusée. Ce qui est logique puisque c'est la partie qui volera en dernier. Le compartiment charge utile est l'endroit où sont fixés les satellites. Pendant tout le vol atmosphérique, ces derniers sont protégés par une coiffe. Une fois les couches atmosphériques traversées, elle est larguée. D'un coup, la fusée peut gagner 800 kg (Ariane 4).

Sous le compartiment charge utile se trouve la case à équipements. C'est le cerveau du lanceur. En gros, il contient un ordinateur qui contient toutes les données de la trajectoire à suivre. Un autre ordinateur permet de donner la position réelle du lanceur. En cas de différence entre la position que doit avoir le lanceur et sa position réelle, l'ordinateur qui assure le pilotage de la fusée donne un ordre de braquage des tuyères afin de corriger. Puis il y a la console qui permet de détruire la fusée.

La destruction d'un lanceur:

Ce que peu de gens savent, c'est que la fusée n'est pas contrôlée depuis le sol. Elle est entièrement automatique. Le seul ordre que l'on peut envoyer, c'est celui qui consiste à la faire exploser. Mais souvent, elle l'a fait d'elle même.

Pendant le vol, la fusée a un programme bien établi. Si pour une raison ou une autre, quelque chose vient perturber ce programme (panne de moteurs, panne d'ordinateurs, ...) et qu'il est impossible que la situation se rétablisse, l'officier de sécurité envoie un ordre de destruction. Ce qu'on appelle la console de sauvegarde reçoit cet ordre et enclenche des charges pyrotechniques qui parcourent les réservoirs. Ceux-ci sont alors éventrés et explosent instantanément. La fusée possède également un logiciel qui permet d'enclencher son autodestruction. Il lance le programme de sauvegarde lorsque la fusée perd son intégrité (elle bascule et se casse sous la pression aérodynamique par exemple) ou pour une raison ou une autre.