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Pourquoi la propulsion chimique ?

Dossier - Les fusées à ergols
DossierClassé sous :Astronautique , fusée ergol , propulsion

Christophe Olry, Futura

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Beaucoup rêvent déjà des vaisseaux archanges et des portails distrants imaginés par Dan Simmons, voyageant à des vitesses supra-luminiques ou permettant à leurs utilisateurs de se téléporter en n'importe où dans l'espace. La réalité est différente ....

  
DossiersLes fusées à ergols
 

A - Un regard en arrière…

Si l'origine de la propulsion chimique liquide est relativement récente, il faut revenir loin dans le passé pour découvrir celle de la propulsion solide.

En effet, le premier propergol solide fut probablement inventé par les chinois, entre 600 et 800 après J.C. Nommée « poudre noire » ou « poudre à canon », elle était constituée de charbon, de bois, de soufre et de Salpêtre, et fut déjà utilisée en 1232 au siège de Kai-Fang-Fu par les mongols pour propulser des flèches incendiaires.

Mais ce fut en 1687, quand Isaac Newton posa son principe de l'action et de la réaction, à la fois simple et révolutionnaire, que le concept de fusée prit réellement son envol. On venait alors de comprendre qu'il suffisait de créer une poussée vers le bas pour que, par réaction, une force d'égale intensité propulse la fusée vers le haut.

Ainsi, comme on le voit sur la photo ci-dessous, représentant le décollage d'Ariane 4 pour son vol 126 du 24 Janvier 2000, les moteurs de la fusée expulsent des gaz à des conditions de température et de pression élevées, créant ainsi une forte poussée vers le bas (flèche rouge). Par application du principe de l'action et de la réaction, on sait qu'une force dirigée vers le haut et de même intensité s'applique sur la fusée (flèche bleue). C'est ainsi que la fusée s'arrache de l'attraction terrestre et monte dans le ciel.

Ariane 4 au décollage - Principe de l'action et de la réaction D'après une photo du Service optique du CSG

Forts de cette nouvelle découverte, les motoristes de l'époque construisirent les premiers prototypes de fusées dignes de ce nom. C'est ainsi que des missiles d'une portée de 2800 mètres utilisant la propulsion à poudre furent utilisés en 1806 par Sir William Congreve (1722-1828) lors de l'attaque de Boulogne. Et en 1850, ce fut au tour de la France de rivaliser avec une fusée à poudre de 20 kg et d'une portée de 3200 mètres.

Enfin, c'est en 1865 que Jules Verne (dont on commémore le centenaire cette année), avec son roman De la Terre à la Lune, fit rêver des millions hommes, leur fit lever les yeux vers les étoiles, inaugurant ainsi - sans le savoir ? - une longue et passionnante quête de l'espace et de ses confins.

B - Un coup d'œil sur la physique de la propulsion fusée

Ariane 5 ESC-A - © ESA - Ejection de matière au décollage

Les fusées équipées de moteurs chimiques d'aujourd'hui se basent sur la production dans une chambre de combustion de grandes quantités de matière sous forme gazeuse. Les gaz issus de la réaction, à hautes températures (plus de 600 degrés Celsius) et fortes pressions (d'un ordre de grandeur de 100 bars, soit près de 100 cent fois la pression atmosphérique), sont détendus dans une tuyère et éjectés à grande vitesse à l'arrière du moteur. Ce sont ces éjections qui forment la traînée caractéristique de la fusée.

Schéma de principe d'un moteur fusée liquide « classique » D'après un document de l'ESA

- Les deux réactifs entrent dans la chambre de combustion via deux circuits d'alimentation différents, sont mis en contact et réagissent dans la chambre de combustion.
- Les gaz issus de la combustion sont détendus et accélérés dans le divergent de la tuyère, de forme conique, puis éjectés à l'arrière du moteur.

Cette éjection de matière dans l'atmosphère ou dans le vide crée une force dirigée vers le bas, que l'on nomme la poussée. D'après le principe de l'action et de la réaction de Newton, une force opposée, donc dirigée vers le haut, et d'égale intensité, s'applique sur le fuselage de la fusée et la propulse en avant.

La poussée du moteur fusée est directement relié au débit Q de gaz éjecté à la sortie de la tuyère, à la vitesse d'éjection Ve de ces gaz (d'où l'intérêt d'accélérer les produits de la combustion), à la section (la surface) de sortie de la tuyère S et à la différence entre la pression des gaz éjectés Pe et la pression atmosphérique Pa.

En effet, d'après le théorème des quantités de mouvement, avec les notations du schéma ci-dessus, la poussée F du moteur (en Newton) est donnée par :

Ces premières notions nous permettent déjà de comprendre un certain nombre de points importants dans la propulsion fusée :

Du bon choix des réactifs

On a vu que, plus la pression des gaz éjectés et le débit de gaz sont importants, plus la combustion est bonne dans la chambre et meilleure est la poussée. C'est là qu'intervient le problème des choix des réactifs et de la richesse du mélange. Si de nombreux composants chimiques sont susceptibles de réagir en produisant d'importantes quantités de gaz, ils ne produisent pas tous des gaz suffisamment énergétiques pour un emploi dans les moteurs fusées.

Mais on ne peut pas se contenter de choisir les réactifs produisant les gaz les plus énergétiques car, comme d'habitude en matière de construction spatiale, tout est une affaire de compromis. En effet, le poids des réactifs revêt également une grande importance puisqu'il faut les stocker à bord en vue de leur utilisation en vol et que, plus la fusée sera lourde, plus elle devra fournir une forte poussée pour décoller.

Du bon choix de la tuyère

Le moteur liquide Vinci, à tuyère déployable

La tuyère intervient pour une grande part dans la vitesse d'éjection des gaz. En effet, de par la géométrie conique de son divergent, elle transforme l'énergie chimique contenue dans les molécules en énergie cinétique et les accélère considérablement.

Le choix de la longueur de la tuyère et de sa section de sortie est déterminant et est encore une fois affaire de compromis. En effet, quand la fusée décolle et quitte l'atmosphère, elle est soumise à une pression atmosphérique décroissante. Ainsi, si l'équation précédente nous informe que la poussée est maximale pour Pe = Pa (cas de la « tuyère adaptée »), cette adaptation ne peut être effective qu'à un instant donné. D'autre part, une fois qu'elle a quitté la terre, la fusée est soumise à une pression atmosphérique nulle, et tout allongement de tuyère s'accompagne d'un accroissement de la poussée.

En résumé :

- Un divergent trop long nuit aux performances dans l'atmosphère.
- Un divergent trop court n'optimise pas la poussée dans le vide.

Cependant, en pratique, les moteurs des deuxième et troisième étages des lanceurs fonctionnent soit dans le vide soit dans le quasi-vide, et on a donc tout intérêt à augmenter le rapport de section des tuyères.

Il faut également noter que des projets plus ambitieux ont également vu le jour, tel le moteur Vinci (cf. photo ci-dessus) développé par la Snecma, dont la tuyère est déployable en vol.

C - Pourquoi encore utiliser la propulsion chimique ?

Sonde orbitale lunaire Smart 1 équipée d'un moteur ionique © ESA

On l'a vu, les premières fusées chimiques ne datent pas d'hier. Si à l'origine celles-ci étaient davantage destinées à constituer des vecteurs de missiles plutôt que des vaisseaux d'exploration spatiaux, elles sont aujourd'hui communément utilisées pour les mises en orbite de satellite (lanceurs Ariane, Soyouz, Vega...) et pour les missions de ravitaillement de la Station Spatiale Internationale.

Pourtant, avec les progrès technologiques du vingtième siècle, des moteurs de plus en plus innovants et prometteurs n'ont cessé d'apparaître : le moteur nucléaire, nanti d'une mini centrale portant à haute température un propergol léger comme l'hydrogène, le moteur ionique (Smart 1), reposant sur l'ionisation d'un gaz et l'éjection des particules chargées à grande vitesse dans une tuyère

Ces moteurs révolutionnaires sont souvent utilisés sur les sondes ou comme contrôleur d'attitude, mais on ne les voit jamais équiper les fusées qui quittent Cap Canaveral ou Kourou. Alors pourquoi un tel désintérêt pour ces moteurs novateurs quand il s'agit de quitter la Terre ?

Le problème, c'est l'attraction terrestre. Quand la fusée décolle, elle est soumise à son poids, égale au produit de sa masse par l'intensité du champ gravitationnel, qui s'oppose à son élévation. Cette force est maximale à la surface et décroît au fur et à mesure que la fusée gagne en altitude. Ainsi, c'est pendant les premières secondes du décollage que l'attraction est la plus forte et que le moteur doit fournir la poussée la plus grande. Et cela, sur un plan technique, les moteurs ioniques, électriques, photoniques en sont bien incapables.

01/10/2005 : Décollage de la fusée Soyouz FG - C'est au moment du décollage que la poussée nécessaire est la plus importante © AFP Journal Internet

Mais qu'en est-il du nucléaire ? Alors qu'on le sait, c'est bien souvent le poids des « ergols », des réactifs, qui grève les performances d'un lanceur, il est négligeable dans le cas d'un moteur nucléaire. En effet, la petite centrale que le moteur contient échauffe un fluide avant de l'éjecter, ce qui permet de s'abstenir d'emporter deux réactifs au profit d'un seul très léger, comme l'hydrogène. Pourtant, si les performances des moteurs nucléaires peuvent rivaliser avec celles des moteurs chimiques, les raisons de cette bouderie sont à chercher dans un autre domaine que la physique ou la chimie. En effet, c'est l'éthique qui s'oppose à l'utilisation de moteurs nucléaires pendant les phases de traversée de l'atmosphère. Et si la fusée connaissait un ennui et explosait en plein ciel ? Quelles seraient les conséquences sur la population ?

 Certains projets prévoient de faire escale sur une base relais comme la Station Spatiale Internationale à l'aide de moteurs conventionnels, d'équiper le lanceur en orbite d'un moteur nucléaire puis de l'envoyer en mission. Mais le prix d'un tel voyage serait encore trop exorbitant...

Ainsi, si les moteurs chimiques (les moteurs à ergols) sont les seuls à fournir les poussées nécessaires au décollage et à la traversée de l'atmosphère, leur utilisation est mal adaptée aux manœuvres précises ou au contrôle d'attitude en vol. Et ceci précisément en raison de leur grande poussée.

On peut donc retenir les points suivants :

- Les moteurs à ergols sont utilisés pour tous les vols commerciaux : envoi de satellites en orbite, ravitaillement de l'ISS.
- Les moteurs ioniques, s'ils ne peuvent arracher un lanceur à l'attraction terrestre, sont des moteurs réallumables à faible poussée qui offrent un plus grande manoeuvrabilité que les moteurs à ergols. Pour ces raisons, ils sont souvent utilisés sur les sondes.
- Les moteurs ioniques, nucléaires et photoniques sont les seuls susceptibles de nous mener aux confins du système solaire (la masse d'ergols a embarquer pour un tel voyage serait beaucoup trop important dans le cas d'un moteur chimique.)