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La propulsion solide

Dossier - Les fusées à ergols
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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 - Le principe

Un moteur chimique fait réagir deux constituants, et se propulse en éjectant les gaz à pression et température élevés issus de leur réaction. Dans le cas de la propulsion solide, les deux constituants sont prémélangés dans une pâte et stockés à l'intérieur du corps du propulseur, sous la forme d'un ou plusieurs blocs solide(s). Comme la poudre d'un pétard qui reste neutre tant que l'on n'a pas allumé la mèche, la pâte (le « propergol ») ne brûle pas sans avoir été initié au préalable par l'allumeur de la chambre de combustion.

Ci-dessous, en bleu ciel figure le propergol solide, la pâte constituée du mélange des deux réactifs. Quelque soit sa forme, la géométrie de la pâte est de révolution autour d'un canal central servant de conduit d'échappement aux gaz de combustion (conduit jaune sur le schéma ci-dessus). Quand l'allumeur est mis en marche, la température s'échauffe dans la chambre de combustion et le propergol commence à brûler. Du gaz apparaît, et circule dans le canal central jusqu'à la tuyère. Il faut noter que la combustion se fait « par couches parallèles », de l'intérieur de la chambre vers l'extérieur, c'est-à-dire que c'est la surface intérieure qui brûle (en rouge sur le schéma), puis la couche située au dessus, etc.

Quelques éléments de réponses :Les deux boosters solides de la navette américaine © NASA

Les gaz produits par la combustion ont une température supérieure à 2000 degrés et une très haute pression. Ils traversent la chambre de combustion via le conduit jaune puis sont accélérés dans la tuyère, fournissant la poussée au lanceur.

Les deux boosters solides de la navette américaine © NASA

Si la fabrication et la mise en œuvre d'un moteur à propergol solide semble simple de prime abord, la principale difficulté (parce qu'il y en a toujours une !!) est liée à la forme du bloc inflammable, dont la géométrie dépend du type de mission, de la durée du vol et de la poussée désirée. En effet, à un instant donné, plus la surface de pâte en train de brûler est grande, plus la densité de gaz produit est importante, et donc plus la poussée est forte. Et si l'on ajoute à cela que les moteurs à propergols solides fonctionnent le plus souvent sur une courte durée (inférieure à 100 secondes), et que l'on désire une poussée constante pendant tout leur fonctionnement, on arrive rapidement à un vrai casse tête chinois.

Considérons dans un premier temps que le lanceur ne contient qu'un seul bloc, de forme cylindrique. Le bloc est alors de la forme présentée ci-dessous, la pâte (le propergol) étant colorée en gris. Au début de la combustion le conduit d'échappement des gaz, le canal central, est un cylindre (en bleu ciel). Au cours du temps, le propergol brûle et le conduit s'élargit. D'autre part, comme nous l'indique le principe de la combustion par couches parallèles, le canal garde une forme cylindrique tout au long de la combustion. Ainsi, la surface de combustion (la surface du cylindre bleu) s'accroît au cours du temps, et la poussée augmente invariablement. Cette solution n'est donc pas acceptable si l'on recherche une poussée constante.

Cette contrainte de poussée permanente implique que la plupart des blocs de propergol solides actuels adoptent une géométrie beaucoup plus complexe que celle d'un monobloc cylindrique. En réalité, ils présentent plutôt une succession (dans le sens allumeur-tuyère) de trois blocs : le premier à motif « étoilé », le second cylindrique et le dernier conique :

- Le bloc étoilé offre au démarrage une très grande surface de combustion, surface qui diminue au fur et à mesure que le bloc se consume.
- Le bloc médian présente quant à lui une surface de plus en plus grande au fur et à mesure qu'il brûle et que son trou central s'élargit.
- La surface de combustion du bloc final, de forme conique tend aussi à décroître avec le temps.

B - Les moteurs à propergols solides d'hier et d'aujourd'hui

Fusée Ariane 5 au décollage © ESA

Les moteurs à propergols solides sont souvent appelés « boosters », du fait de leur forte poussée et de leur capacité à arracher la fusée du sol, ce qu'un moteur liquide ne pourrait faire seul. C'est pourquoi on les retrouve par paires sur de nombreux lanceurs actuels, comme Ariane 5 (européenne) et Titan 4 (USA), ainsi que sur la navette américaine.

A droite, Fusée Vega sur son pas de tir : les trois premiers étages de ce lanceur sont à propergol solide © ESA A gauche, Lanceur Falcon I à propergol solide © SpaceX

C - Les avantages et les inconvénients de la propulsion solide

1 - Une forte poussée

Comme nous l'avons vu précédemment, le principal avantage des moteurs à propergol solide est leur très forte poussée. Malgré le développement de la technologie liquide, il est encore très difficile d'atteindre les performances d'un moteur solide. Ainsi, des « boosters » sont nécessaires pendant le décollage et les premières secondes de vol, pour soulever les dizaines de tonnes du lanceur et les élever dans les airs, puis largués dès que la pression atmosphérique devient suffisamment faible.

2 - Une grande fiabilité

Le second grand avantage des moteurs solides est leur grande fiabilité. Forts de dizaines d'années d'expérience, les motoristes ont aujourd'hui de grandes connaissances dans ce domaine. Comme le moteur n'est pas alimenté en ergols, on n'a pas besoin de circuit de distribution comme dans le cas d'un moteur, ce qui rend leur construction relativement simple : il suffit de « couler » le bloc de propergol dans l'étage du lanceur, en lui faisant adopter la géométrie voulue à l'aide d'une arête centrale.

D'autre part, de par la simplicité de leur principe, les lanceurs à propergol solides peuvent être stockés pendant de longues années sans crainte de défaillance, ce qui n'est pas le cas d'un moteur liquide, où l'architecture plus complexe se dégrade avec le temps, et où les ergols liquides doivent être amenés à bord juste avant le décollage. On peut noter que c'est également la raison pour laquelle on retrouve des moteurs solides sur la totalité des fusées et missiles français.

3 - De l'impossibilité de rallumer en vol

Le plus gros inconvénient de ce type de moteur est l'impossibilité de l'éteindre et de le rallumer en vol. Comme dans le cas d'un pétard, une fois que l'on a mis le feu aux poudres, on ne peut plus revenir en arrière. Quand on utilise un moteur solide, on ne dispose que d'un bouton « allumage », ce qui est à la fois inquiétant et frustrant pour un motoriste : si par exemple un booster connaît un incident lors du décollage, les ingénieurs n'ont aucune possibilité d'intervenir.

D'autre part, la poussée étant déterminée uniquement par la géométrie du bloc de propergol, il est également impossible de régler la poussée du moteur en cours de vol.

4 - La nécessité de contrôles non destructifs

Comme les moteurs solides ne sont pas réutilisables, on ne peut pas les tester avant le décollage pour vérifier leur intégrité. Une mise à feu impliquerait la destruction totale du bloc, et induirait donc l'impossibilité d'une utilisation ultérieure.

Ainsi, pour contrôler la bonne forme du propergol et la qualité du moteur, on doit faire appel à des contrôles non destructifs : localisation des défauts par méthode laser, utilisation de miroirs...

Ainsi, le test du bon fonctionnement d'un moteur solide ne peut pas être direct comme dans le cas d'un allumage sur banc d'essai, mais repose sur des contrôles non destructifs.