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Rockets 101: Comment fonctionnent exactement les fusées?

Rockets 101: Comment fonctionnent exactement les fusées?

Les êtres humains utilisent des explosions contrôlées pour propulser des objets depuis de nombreux siècles. Souvent appelés fusées, ces dispositifs sont aujourd'hui couramment utilisés comme feux d'artifice, fusées éclairantes, armes de guerre et pour l'exploration spatiale.

Mais comment fonctionnent-ils réellement? Jetons un regard très bref.

Cet article n'est pas destiné à être un guide complet car la science des fusées est, après tout, de la «science des fusées».

Comment fonctionnent exactement les fusées?

Vous pourriez être tenté de penser à des fusées agissant simplement en «se poussant dans les airs». Mais comme les fusées peuvent aussi parfaitement fonctionner dans le vide de l'espace, ce n'est pas vraiment ce qui se passe.

Ils fonctionnent, comme mentionné précédemment, en utilisant le principe de la troisième loi du mouvement de Newton, souvent énoncé comme «pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée». Les fusées fonctionnent donc en tirant parti de l'élan - la puissance d'un objet en mouvement.

Toutes choses étant égales par ailleurs, sans forces extérieures, l'élan combiné d'un groupe d'objets doit rester constant dans le temps. Ceci est encapsulé dans la célèbre troisième loi du mouvement de Newton.

Pour visualiser cela, imaginez-vous debout sur une planche à roulettes tout en tenant un ballon de basket dans vos mains.

Si vous deviez lancer le ballon dans une direction, vous (et la planche à roulettes) rouleriez dans la direction opposée avec la même force. Plus la force exercée pour lancer la balle est grande, plus la force propulsera la planche à roulettes dans la direction opposée.

Les fusées fonctionnent à peu près de la même manière. En expulsant les gaz d'échappement chauds d'une extrémité de la fusée, la fusée est propulsée dans la direction opposée - tout comme dans l'exemple de la planche à roulettes.

Les moteurs de voiture ou d'avion, y compris les moteurs à réaction, ont besoin d'air pour fonctionner (enfin, ils ont besoin de l'oxygène qu'il contient), et pour cette raison, ils ne peuvent pas fonctionner dans le vide de l'espace. Les fusées, en revanche, fonctionnent parfaitement bien dans l'espace.

Mais comment?

Contrairement aux moteurs à combustion ou à réaction, les fusées transportent des oxydants avec elles. Tout comme le carburant, ceux-ci peuvent être sous forme solide, liquide ou hybride (nous en parlerons plus tard).

L'oxydant et le carburant sont mélangés dans la chambre de combustion de la fusée et les gaz d'échappement sont expulsés à grande vitesse par l'arrière de la fusée. Tout cela se fait en l'absence d'air - en fait, contrairement aux voitures et aux avions, les fusées n'ont pas de prises d'air.

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Les molécules de l'échappement de la fusée sont individuellement très petites, mais elles sortent très rapidement de la buse de la fusée (ce qui leur donne beaucoup d'élan). Assez, en fait, pour donner à un objet de plusieurs tonnes l'élan dont il a besoin pour échapper à la gravité terrestre.

Quelles sont les principales parties d'une fusée?

La plupart des fusées modernes se composent d'au moins deux étages. Ce sont des sections de la fusée qui sont empilées les unes sur les autres dans une coquille cylindrique (aka mise en scène en série).

La série Saturn V de la NASA est un exemple de cette forme de mise en scène de fusées.

D'autres types de fusées utilisent la mise en scène parallèle. Dans ce cas, des premiers étages plus petits sont attachés au corps d'une fusée centrale «de soutien». Des fusées comme les Titan III et Delta II de la NASA utilisent ce type de mise en scène.

Chaque étage possède son propre ensemble de moteurs, dont le nombre varie en fonction de la conception. Par exemple, le premier étage du Falcon 9 de SpaceX a neuf moteurs, tandis que la fusée Antares de Northrop Grumman en a deux.

Le travail de la première étape est de sortir la fusée de la basse atmosphère. Il peut également y avoir ou non des boosters supplémentaires pour vous aider.

Parce que cette étape initiale doit supporter le poids de la fusée entière (avec la charge utile et le carburant non dépensé), c'est généralement la section la plus grande et la plus puissante.

Au fur et à mesure que la fusée accélère, elle rencontre initialement une augmentation de la résistance de l'air. Mais à mesure qu'il se déplace plus haut, l'atmosphère devient plus mince et la résistance de l'air diminue.

Cela signifie que le stress subi par la fusée lors d'un lancement typique augmente initialement, jusqu'à un sommet, puis retombe. La pression de pointe est appelée max q.

Pour le SpaceX Falcon 9 et le United Launch Alliance Atlas V, max q est généralement expérimenté entre 80 et 90 secondes d'un lancement, à une altitude comprise entresept (11 km) à neuf milles (14,5 km).

Une fois que la première étape a accompli son devoir, les roquettes lâchent généralement cette section et allument leur deuxième étage. Le deuxième étage a moins de travail à faire (car il a moins de masse à déplacer) et a l'avantage d'avoir une atmosphère plus mince à affronter.

Pour cette raison, le deuxième étage se compose souvent d'un seul moteur. La plupart des fusées largueront également leurs carénages à ce stade (il s'agit d'un capuchon pointu à l'extrémité de la fusée qui protège la charge utile).

Dans le passé, les sections inférieures jetées de la fusée brûlaient simplement dans l'atmosphère. Mais à partir des années 1980 environ, les ingénieurs ont commencé à concevoir ces sections pour qu'elles soient récupérables et réutilisables.

Des entreprises privées comme SpaceX et Blue Origin ont poussé ce principe plus loin et les ont conçues pour pouvoir retourner sur Terre et atterrir elles-mêmes. Ceci est avantageux, car plus il y a de pièces qui peuvent être réutilisées, moins les lancements de fusées peuvent devenir moins chers.

Quel carburant est utilisé dans une fusée?

Les fusées modernes ont tendance à utiliser des carburants liquides, solides ou hybrides. Les formes liquides de carburant ont tendance à être classées en tant que pétrole (comme le kérosène), cryogènes (comme l'hydrogène liquide) ou hypergoliques (comme l'hydrazine).

Dans certains cas, de l'alcool, du peroxyde d'hydrogène ou des oxydes nitreux peuvent également être utilisés.

Les propulseurs solides ont tendance à se présenter sous deux formes: homogènes et composites. Les deux sont très denses, stables à température ambiante et se stockent facilement.

Le premier peut être une base simple (comme la nitrocellulose) ou une double base (comme un mélange de nitrocellulose et de nitroglycérine). Les propulseurs solides composites, quant à eux, utilisent un sel minéral cristallisé ou finement broyé comme oxydant.

Dans la plupart des cas, le carburant proprement dit est généralement à base d'aluminium. Le combustible et l'oxydant sont généralement maintenus ensemble avec un liant polymère qui est également consommé pendant la combustion.

Comment fonctionnent les rampes de lancement de fusées?

Les Launchpads, comme leur nom l'indique, sont des plates-formes à partir desquelles les fusées sont lancées. Ils ont tendance à faire partie d'un plus grand complexe, d'une installation ou d'un port spatial.

Une rampe de lancement typique consistera en une plate-forme ou un support de lancement, qui sera généralement une structure métallique qui supporte la fusée en position verticale avant le décollage. Ces structures auront des câbles ombilicaux qui alimenteront la fusée et fourniront du liquide de refroidissement avant le lancement, entre autres fonctions.

Ils auront également tendance à avoir des paratonnerres pour protéger la fusée lors des orages.

La conception des complexes de lancement varie en fonction de la conception de la fusée et des besoins de l'opérateur. Par exemple, le Centre spatial Kennedy de la NASA a conçu la navette spatiale pour qu'elle se fixe verticalement à une fusée et la déplace vers la rampe de lancement sur un énorme véhicule semblable à un char appelé «Crawler».

En Russie, les roquettes ont été assemblées et transportées horizontalement vers la rampe de lancement avant d'être soulevées à la verticale in situ.


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