Propulsion
Termes techniques
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 pousée.
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 de 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.
Le dictionnaire de la propulsion
Propulsion classique (poudre)
La
propulsion solide est le système le plus ancien et le plus répandu
dans le monde. Il va tout aussi bien des propulseurs à poudre d'une
fusée comme Ariane 5 aux fusées d'artifice tirées
dans votre jardin. Le principe de base est simple. Le carburant, présenté
sous forme de poudre, est mélangé avec de l'oxydant, lui
aussi sous forme de poudre. Les deux sont mélangés pour
former une surface compacte à la manière d'un tube créant
une cheminée en son centre par où s'évacueront les
gaz. La poudre est allumée à son sommet par un système
pyrotechnique. La surface interne du pain de poudre s'enflamme rapidement.
Les gaz produits s'évacuent par la base, où se situe la
tuyère d'échappement.
Ce système de propulsion présente des avantages mais aussi des inconvénients. Les avantages sont évidents. Le système est facile à mettre en place, notamment avec un système de propulsion réduit à son plus simple appareil. Il n'y a pas non plus d'instabilité de combustion, source de plusieurs échecs au lancement. Cependant, il présente également des inconvénients. Un moteur à poudre qui est allumé ne peut être éteint. Il doit fonctionner jusqu'à la fin de sa combustion. La vitesse d'éjection des gaz est plus faible que celle des moteurs utilisant des carburants liquides. Qui dit vitesse d'éjection plus faible, dit performances moins importantes.
On retrouve la propulsion solide lorsqu'on veut augmenter de façon significative sur une courte durée la puissance du décollage. A titre d'exemple, les boosters d'Ariane 5 fournissent près de 90% de la puissance au décollage pour une durée de 2 minutes. Durant ce laps de temps, chaque booster a consommé quelques 240 tonnes, soit 2 tonnes de poudre à la seconde. Beaucoup de satellites largués sur l'orbite de transfert rejoignent leur orbite définitive grâce à un moteur à poudre.
Propulsion classique (liquide)
La
propulsion à carburants liquides est la propulsion par excellence
dans le domaine spatial et notamment pour les lanceurs. Comme tout système
de propulsion, il présente des avantages et des inconvénients.
Dans les avantages, on peut citer la souplesse d'utilisation. En effet,
un lanceur consommant des ergols liquides ne verra ses réservoirs
remplis que dans les dernières heures avant le H0. Si pendant la
phase d'allumage, avant le décollage, une anomalie est détectée,
les ordinateurs de bord interrompront la séquence de mise à
feu. On sera dans une configuration de "Tir avorté" ou
en anglais de "Launch Abord". Les inconvénients sont
plutôt d'ordre technique. Ce système de propulsion requiert
de la haute technologie et ne laisse pas place à l'erreur.
Le fonctionnement du système est simple en soi. Dans un réservoir se trouve le combustible et dans l'autre, le comburant (oxydant). Tous deux sont aspirés dans leur conduit à l'aide d'une turbo-pompe avant d'être injectés dans la chambre de combustion via l'injecteur sous forme de fines goutelettes. Comme son nom l'indique, c'est dans la chambre de combustion qu'à lieu l'allumage du mélange qui produira les gaz qui s'échapperont par la tuyère.
Dans les propergols liquides, on distingue deux classes: hypergolite/non hypergolite, cryogénique/non cryogénique:
Un mélange hypergolite se dit d'un mélange qui s'enflamme par action chimique au contact du combustible avec le comburant. Comme mélange hypergolite, on peut citer le N2O4 (tétraoxyde d'azote) + UDMH (diméthyl hydrazine dissymétrique).
Un mélange cryogénique fait appel à des ergols qui doivent être refroidis pour rester liquides. Le plus classique est le couple LOX (oxygène liquide) + LH2 (hydrogène liquide).
Propulsion classique (hybride)
La propulsion hybride reprend les deux principes énoncés plus hauts. L'un des deux se trouve à l'état solide dans la chambre de combustion. L'autre est injecté par la suite dans cette même chambre où la réaction aura lieu. Ce duo solide/liquide est également appelé lithergol.
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 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 solaire
Projet de voile solaire Cosmos 2 de la Planetary Society - Photo Planetary Society.
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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 déployement 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.
Les autres modes de propulsion
Il existe d'autres modes de propulsion comme la propulsion héliothermique, à énergie dirigée, avec des systèmes de câbles (Tether) ou encore héliodynamique. Je vous invite à télécharger un dossier complet sur tous ces modes de propulsion paru dans le Space Connection 37 de décembre 2001 - La propulsion exotique (PDF - 4,42 Mo)
- Orbital Sciences Corporation
- 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