Terminologie

Le but d'une fusée est de transporter une masse donnée (charge utile) à une altitude donnée (orbite) à une vitesse donnée (7,9 km/s). Pour y parvenir, elle doit s’appuyer sur la puissance dégagée par son système de propulsion. C’est l’un des facteurs essentiel pour déterminer les performances d’une fusée. A ce jour, il s’appuie sur deux types de moteurs ; à savoir les moteurs à ergols liquides et les moteurs à propergols solides.

Pour comprendre comment fonctionne un moteur de fusée, il est important de saisir quelques notions dans la terminologie de la propulsion:

  • La poussée correspond à la masse des gaz éjectés (kg/s) par le moteur chaque seconde multipliée par la vitesse d'éjection (m/s). Il s'agit d'une force et l'unité de mesure pour une force est le Newton. Pour être plus parlante, la poussée est souvent exprimée en kg. Un kg est égal à 9,81 Newtons.
  • L'impulsion spécifique indique la durée pendant laquelle le moteur fournit une poussée égale au poids du propergol consommé. Plus cette durée est importante et plus le moteur possède un bon rendement. Un bon rendement ne signifie pas pour autant une bonne poussée.
  • Vitesse d'éjection: lorsque le mélange est brûlé, il crée des gaz. En fonction de la densité des particules, la vitesse d'éjection sera plus ou moins importante. A titre d'exemple, le mélange UDMH + N2O4 donnera une vitesse d'éjection de 2 900 m/s alors que celui d’hydrogène et oxygène liquides sera nettement supérieur avec 4 300 m/s.
  • Injecteur: Pièce maîtresse d'un moteur permettant la pulvérisation et l'homogénéisation des ergols liquides à l'intérieur de la chambre de combustion.
  • Instabilité de combustion: Ce sont des fluctuations observées dans les foyers, engendrant des fluctuations de pression. Ces instabilités doivent avoir des causes coordinatrices.
  • Effet pogo: Couplage entre la combustion dans un système de propulsion et les vibrations de la structure. On rencontre ce type d'instabilité en particulier dans les fusées à propergols liquides. Les oscillations de combustion produisent une oscillation de la poussée qui excite les modes propres de vibration de la structure ce qui a pour conséquence de moduler les débits masse d'ergols. L'amplitude de l'oscillation peut alors augmenter et atteindre des niveaux très élevés et dans certains cas produire une destruction du propulseur, voire le lanceur.

Carburants, comburants, ergols, propergols?

  • Propergols: Un propergol est un produit de propulsion constitué d'un mélange de comburant et de carburant.
  • Ergols: Un ergol est une substance homogène employée seule ou en association avec d'autres substances et destinée à fournir de l'énergie.
  • Vitesse d'éjection: lorsque le mélange est brûlé, il crée des gaz. En fonction de la densité des particules, la vitesse d'éjection sera plus ou moins importante. A titre d'exemple, le mélange UDMH + N2O4 donnera une vitesse d'éjection de 2 900 m/s alors que celui d’hydrogène et oxygène liquides sera nettement supérieur avec 4 300 m/s.
  • Carburants: Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique constitué à base de carbone (kérosène, hydrogène liquide).
  • Comburants : Un comburant est un corps chimique qui a pour propriété de permettre la combustion (oxygène liquide, …)

Les moteurs à propergols solides

S’il existe un système de propulsion simple d’utilisation, c’est bien le moteur à propergol solide. Il est constitué d’une carcasse servant de réservoir unique contenant le propergol solide, plus communément appelé « poudre ». En fait, il ne s’agit pas réellement de poudre, mais d’une pâte qui se durcit avec en son centre un conduit d’évacuation des gaz. Le moteur est allumé par le sommet et la chaleur se propage jusqu’en bas en une fraction de seconde. La cheminée se remplit de gaz qui sont évacués par la tuyère. La combustion du propergol dans ce type de moteur se fait de l’intérieur vers l’extérieur. Il y a quelques avantages à ce moteur. Simple d’utilisation, stockage pendant de longues périodes pouvant atteindre plusieurs années, forte poussée durant tout le temps de combustion et fiabilité importante. Mais il présente également des inconvénients. Une fois allumé, il est impossible de l’éteindre, s’il est puissant, il n’est pas forcément performant puisque son impulsion spécifique est relativement faible. En général, on utilise ce type de propulsion pour les petits lanceurs, pour certains étages propulsifs mais essentiellement comme boosters durant la première phase de vol d’une fusée.

Propulsion à poudre
Schéma de la propulsion à poudre - Illustration P. Volvert

Les moteurs à ergols liquides

Le principe de fonctionnement d’un moteur à ergols liquides est le même que celui d’un avion. On mélange du carburant avec du comburant dans une chambre à combustion. Là, ils sont enflammés, produisant des gaz qui sont éjectés par la tuyère. Contrairement à un avion qui puise son comburant dans l’atmosphère, une fusée doit emporter ses réserves. D’où la présence de deux réservoirs distincts pour les étages utilisant des moteurs à ergols liquides.

On parle d’ergols cryogéniques lorsqu’on est en présence de carburant et comburant qui ne peuvent rester à l’état liquide à température ambiante. C’est le cas par exemple du couple hydrogène et oxygène liquide où le premier doit être refroidi par -270°C et l’autre par -180°C. Parmi les lanceurs les plus connus utilisant ce mode de propulsion sont Ariane 5 et la navette spatiale américaine.

On parle d’ergols stockables lorsque le carburant et le comburant sont stockés à température ambiante. Dans le monde du transport spatial, ces ergols sont souvent des ergols hypergolites. C'est-à-dire que le carburant et le comburant s’enflamment spontanément au contact l’un de l’autre sans présence d’un système d’ignition. Le couple le plus répandu est celui d’UDMH et N2O4 utilisé par les Ariane 1 à 4, les fusées chinoises Chang-Zheng et russes Proton entre autres.

Propulsion à ergols liquides
Schéma de la propulsion à ergols liquides - Illustration P. Volvert

Propulsion ionique/plasmatique

Le fonctionnement d'un tel moteur (moteur ionique à grilles) est le suivant. Le xénon, qui est quatre fois plus lourd que l'air, est bombardé par des électrons lorsqu'il passe dans le champ magnétique d'une node. C'est ce qu'on appelle la phase d'ionisation. Ce bombardement, qui se déroule au coeur même du moteur, arrache à l'atome du xénon un de 54 électrons le composant, ce qui lui donne une charge positive. A son extrémité, deux grilles percées de milliers de trous et chargées électriquement, l'une négative et l'autre positive, attirent électrostatiquement les ions de xénon. Un tiers de ces ions sont expulsés, créant une poussée. Les ions restants se collent aux grilles où ils sont rapidement neutralisés par les électrons ambiants. Après avoir récupéré leur électron manquant, ces atomes de xénon sont à nouveau remis dans le cycle en retournant dans la chambre d'ionisation.

Les moteurs ioniques possèdent beaucoup d'avantages comme par exemple la vitesse d'éjection qui est dix fois supérieure à ce que l'on peut faire avec des moteurs classiques à propergols liquides. Le temps de fonctionnement est également inégalable tout comme la consommation. A titre d'exemple, la sonde SMART-1 contenait 80 kg de Xénon, de quoi faire fonctionner son moteur durant... 5 000 heures. L'impulsion spécifique du moteur est également incomparable puisqu'elle est presque 4 fois supérieure à ce qui se fait de mieux avec des propergols classiques. A tout avantage est opposé tout inconvénient et le moteur ionique en a un fondamental, c'est sa poussée. A l'heure actuelle, tout au plus, la poussée d'un tel moteur n'atteint pas les 10 grammes. Autrement dit, seuls les satellites peuvent les utiliser. Si une mission Apollo pouvait se placer sur orbite lunaire en 3 à 4 jours, la sonde SMART-1 a mis quelques 14 mois!

Il existe plusieurs modèles de moteurs ioniques. On peut citer les moteurs ioniques à grilles (utilisé sur la sonde Deep-Space 1) à Effet Hall (utilisé sur la sonde SMART-1) ou encore le VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasme).

Propulsion ionique
Schéma de la propulsion ionique - Illustration P. Volvert

Propulsion nucléaire

Le principe de fonctionnement d'un moteur nucléaire est simple. Le principe de toute propulsion "classique" c'est de créer des gaz et de les éjecter à une vitesse très élevée. Comme nous l'avons vu, dans le cas des moteurs classiques, ces gaz sont produits par la combustion d'un mélange de propergols. Dans le cas du nucléaire, l'oxydant est remplacé par le réacteur nucléaire. Celui-ci va chauffer l'hydrogène liquide, sans combustion, pour le porter à des températures très élevées. Le rendement énergétique d'un moteur nucléaire est supérieur à celui d'un moteur à propergols liquides. A titre d'exemple, l'impulsion spécifique d'un moteur de la navette est de 455. Celui d'un moteur nucléaire est de 850. Le moteur nucléaire se situe au niveau des performances entre le moteur classique à propergols liquides (puissance assurée) et le moteur ionique (impulsion spécifique élevée et consommation réduite).

Le projet le plus connu est le NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) de conception américaine testé dans les années 60 par la Nasa notamment dans le cadre d'un projet d'expédition martienne. Le dernier étage de la fusée Saturn V aurait été remplacé par un étage nucléaire dérivé du projet NERVA. Au bout de quelques tests, le projet est abandonné faute d'idées permettant d'utiliser le moteur. Les crédits tant espérés par la Nasa pour aller sur Mars ne sont jamais venus et l'agence spatiale a du se résoudre à tourner autour de la Terre avec la navette spatiale.

Propulsion nucléaire
Schéma de la propulsion nucléaire - Illustration P. Volvert

Propulsion solaire

Le fonctionnement d'une voile solaire est identique à celle d'une voile sur un bateau. Mais au lieu du vent pour pousser la voile, on fera appel aux photons émis par le Soleil. Il ne faut pas s'attendre à des puissances équivalentes à un moteur. Tout au plus, la poussée est de 9 micro-Newtons/m 2. L'accélération est extrêmement faible mais continue. Les ingénieurs estiment qu'elle pourrait dépasser les 90 km/s et il lui faudrait à peine 8 ans pour dépasser la sonde Voyager qui vient d'atteindre les limites du système solaire contre 30 pour ladite sonde spatiale.

Plusieurs projets ont déjà vu le jour, notamment en Russie avec Znamya 2 en 1992 de 20 mètres de diamètre, Znamya 2.5 en 1999 de 25 mètres de diamètre. Dans le premier cas, le déploiement s'est bien déroulé alors que pour la tentative de 1999, la voile s'est déchirée.

Une nouvelle tentative, menée par la Planetary Society, devait être réalisée en juin 2005. Mais le lancement, avec un lanceur Volna s'est soldé par un échec après 83 secondes de vol.

Propulsion solaire
LightSail-1 est un nanosatellite de l'association Planetary Society destiné à tester l'utilisation d'une voile solaire dans l'espace - Photo The Planetary Society

Sources

  • Le dictionnaire de la propulsion
  • Ariane et la navette spatiale de Alain Dupas (Hachette)
  • Dictionnaire de l'astronomie et de l'espace de Philippe de La Cortadière et Jean-Pierre Penot (Larousse)
  • Space Connection 37 - La propulsion exotique