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La propulsion nucléothermique

Dossier - Mars : les moteurs du voyage
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Ce dossier réalisé par Richard Heidmann vous fera découvrir tous les différents moyens de propulsion : chimique cryogénique, nucléothermique, électrique de forte puissance.

  
DossiersMars : les moteurs du voyage
 

Si aucun moteur de ce type n'a jamais volé, Américains et Soviétiques ont, au cours des années 60 et au début des années 70, mené des programmes très importants qui ont, confirmé la faisabilité du concept. Dans le désert du Nevada, des prototypes on développé jusqu'à 100 tonnes de poussée et fonctionné une heure d'affilé !

Années 60 : prototype sur son site d'essai. Crédits : NASA

Dans un moteur nucléothermique, l'énergie nécessaire à l'expulsion des gaz de propulsion n'est pas fournie par une combustion mais par un réacteur nucléaire à fission. La chaleur dégagée par celui-ci est utilisée pour chauffer de l'hydrogène, qu'on éjecte ensuite dans une tuyère, de manière tout à fait comparable à un moteur chimique. Un moteur-fusée éjectant un gaz chaud au travers d'une tuyère est d'autant plus efficace, pour une température de chambre donnée, que ce gaz est léger. Le choix de l'hydrogène confère au moteur nucléothermique un énorme avantage par rapport au moteur chimique qui expulse principalement des molécules d'eau, 9 fois plus massives que la molécule d'hydrogène.

Schéma d'un moteur nucléothermique

On retrouve les même fonctions de base que dans le cas précédent : alimentation, apport d'énergie, éjection.

L'alimentation utilise les mêmes principes et les mêmes technologies. C'est un peu plus simple car il n'y a qu'un fluide à pomper (l'hydrogène). Par contre, comme on ne dispose pas d'oxydant à bord, la solution la plus directe pour entraîner la turbopompe est d'utiliser un prélèvement de gaz chauds sur la chambre (voir schéma, où l'hydrogène liquide est représenté en bleu, l'hydrogène gazéifié et chaud en rouge).

L'apport d'énergie se produit par échange thermique entre la structure du cœur nucléaire et l'hydrogène qu'on y fait circuler. Cette structure, dans la configuration la moins évoluée étudiée autrefois par les Américains, est constituée d'un bloc de graphite percé d'une multitude de puits longitudinaux. Certains de ces puits reçoivent les éléments de combustible nucléaire (à base d'uranium enrichi), d'autres les barres de contrôle permettant de maîtriser le régime de la fission, d'autres, enfin, servent de passage à l'hydrogène. Le graphite avait été choisi pour ses qualités de résistance aux hautes températures et son excellente conduction thermique. Par contre, il présentait de sérieuses difficultés liées à sa fragilité (il s'écaillait).

Schéma d'un moteur nerva - 1) Base du réservoir d'hydrogène liquide - 2) Bouteilles sphériques de pressurisation - 3) Supports structurels - 4) Bouclier anti-radiations - 5) Réflecteur entourant le noyau du réacteur - 6) Réacteur nucléaire modéré au carbone (avec des conduits à travers lesquels le LH2 gicle à haute pression) - 7) Tube de refroidissement de la tuyère - 8) Tuyère - 9) Extension de la tuyère - 10) Débit du réacteur vers la turbine - 11) Coque de pression - 12) Cylindre de contrôle - 13) Echappement de la turbine (pour le contrôle d'attitude et l'augmentation de la poussée) - 14) Anneaux des commandes du cylindre de contrôle

La température du cœur pouvait atteindre avec cette technologie environ 2200 - 2300°C. Une température aussi élevée que possible est, avec la légèreté des gaz, le facteur dominant de performance. Avec des conceptions plus avancées, développées entre-temps et utilisant des céramiques à base de carbures métalliques, la température pourrait être portée à 2700 - 2800°C, tout en assurant une meilleure intégrité structurale. On atteindrait alors un niveau de performance double de celui des moteurs chimiques (consommation deux fois moindre ; impulsion spécifique de 940 s).

L'éjection se produit selon les mêmes principes que dans le cas précédent. A noter cependant que la température plus faible des gaz facilite la réalisation de la tuyère.

Le gain en consommation constitue l'avantage majeur de cette technologie. Malheureusement, d'autres facteurs en réduisent fortement la portée :

  • masses mortes : le moteur en lui-même est beaucoup plus massif qu'un moteur chimique (2,2 tonnes, masse comparable à celle du moteur Vulcain, pour une poussée presque 20 fois moindre) ; il faut sur la fusée un bouclier anti-radiations (estimé à 3,2 tonnes dans le projet de référence NASA) ; les réservoirs d'hydrogène, très grands, représentent une masse supplémentaire ;
  • altitude de sécurité : pour éviter que le moteur ne retombe accidentellement dans l'atmosphère après avoir été mis en marche (et donc être devenu radioactif), il est nécessaire que la fusée de lancement le place sur une orbite d'au moins 800 km d'altitude ; ceci induit une perte de performance du lanceur estimée à 15 % ;
  • limitation de la poussée : les impératifs de protection de l'environnement, qui n'avaient pas cours à l'époque des premiers développements, obligeraient à construire un banc d'essai en boucle fermée ; pour en limiter les coûts, la poussée des moteurs serait limitée (le projet NASA table ainsi sur un poussée de 7,5 tonnes, contre 100 tonnes à l'origine) ; ce faible niveau de poussée oblige à une manœuvre propulsive prolongée qui augmente les pertes par gravité ;
  • pertes à l'extinction : lorsqu'on arrête le moteur, le cœur continue néanmoins à produire pendant un certain temps de la chaleur, qu'il faut évacuer ; ceci consomme un supplément d'hydrogène dans de mauvaises conditions d'utilisation.

La prise en considération de l'ensemble de ces facteurs amène à conclure que, pour une masse de vaisseau utile à lancer vers Mars donnée, le gain en en masse ne serait probablement que de l'ordre de 20 %. Cela reste séduisant, et explique que cette technologie soit considérée dans les projets officiels. De notre point de vue cependant, celle-ci ne « paie pas » son droit d'entrée (surcoût du programme martien de l'ordre de 10 %). En effet, elle n'offre pas de perspectives de développement ultérieur ni d'applications autres que les voyages habités vers Mars et la Lune (pour lesquels la propulsion cryogénique suffit). Mais surtout, contrairement à la propulsion électrique de forte puissance, on va le voir, elle ne permet pas non plus de réduire radicalement la durée de la mission, objection faite au projet de mission martienne...