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Dossier - La propulsion par moteurs fusées à liquides
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L'astronautique actuelle repose en grande partie sur les performances des moteurs fusées grâce auxquels on peut communiquer aux charges utiles les vitesses formidables nécessaires à leur satellisation.

  
DossiersLa propulsion par moteurs fusées à liquides
 

Snecma Moteurs est engagée dans un important programme de recherche amont visant à préparer la propulsion des versions futures d'Ariane 5 ou de lanceurs de nouvelle génération.

Des travaux de recherche de base, conduits en étroite collaboration avec de nombreux laboratoires spécialisés dans les domaines de la mécanique, de la mécanique des fluides, de l'énergétique et des matériaux permettant d'améliorer la compréhension fine des phénomènes physiques et d'affiner les modèles mathématiques correspondants et, donc, de concevoir des matériels mieux optimisés.

La mission principale d'Ariane © A. Souchier

Par ailleurs, au plan technologique, Snecma Moteurs introduit dans ses moteurs à liquides les matériaux composites (à matrice céramique (CMC)), à la fois réfractaires et légers, qu'elle a développés initialement pour les besoins de la propulsion à poudre. On peut ainsi réaliser des divergents de tuyères non refroidis permettant simultanément un gain de masse et de meilleures Isp, ce dernier point étant lié à l'économie faite sur le fluide de refroidissement de la paroi métallique et à une meilleure qualité de l'écoulement du jet dans la tuyère.

Les progrès engrangés permettront de réaliser des moteurs moins chers, plus performants et capables de grands nombres de réutilisations. Selon la conception du lanceur, on privilégiera un ou deux de ces trois critères.

Enfin, à beaucoup plus long terme, il est possible d'améliorer les performances d'un lanceur en profitant de son parcours dans l'atmosphère. Pour un décollage horizontal, l'introduction d'une aile, créatrice d'une portance, supprime la nécessité d'équilibrer le poids par la poussée et évite ainsi les pertes par gravité correspondantes. En outre, les moteurs peuvent fonctionner en utilisant l'oxygène de l'air, ce qui divise par 3 la masse de fluides embarqués nécessaires à la phase transatmosphérique.

On est donc conduit au concept de l'avion spatial qui est à la fois : proche de l'avion classique dans les couches denses de l'atmosphère, hypersonique à haute altitude et, enfin, fusée pour atteindre l'orbite. Un tel avion, nécessairement très sophistiqué, sera récupérable et ses moteurs, obligatoirement légers, devront concilier trois modes de propulsion très différents.

En ce qui concerne la propulsion en orbite, l'éventail des évolutions possibles des moteurs dans les décennies à venir est beaucoup plus vaste. En effet, alors que des moteurs de très forte poussée sont nécessaires pour décoller et atteindre une orbite viable, une fois parvenus sur une telle orbite, des moteurs à faible poussée (fonctionnant plus longtemps) conviennent. Cela autorise tous les modes de propulsion électrique, dans lesquels différentes utilisations des champs électriques ou magnétiques vont produire l'accélération et l'éjection de particules chargées électriquement. La source d'énergie n'est alors plus liée aux fluides éjectés (en l'occurrence la réaction chimique "de combustion" pour un moteur fusée classique). L'énergie est fournie par des panneaux solaires, ou pour de futures fortes puissances (200 kW à plusieurs MW), par un réacteur nucléaire.

La propulsion électrique a déjà partout dans le monde des applications opérationnelles sur les satellites de télécommunications. Aujourd'hui elle est surtout réservée à de petits changements d'orbite (contrôle de la position sur l'orbite) mais elle est déjà appliquée pour envoyer des sondes expérimentales à des vitesses de plusieurs km/s (Deep Space One aux USA, SMART 1 en Europe).

Snecma Moteurs a développé le PPS 1350, moteur de 0,08 N de poussée (8 g force) pour 1350 W de puissance, qui a une impulsion spécifique 4 fois supérieure à celle d'un moteur fusée classique (4 fois moins de consommation d'ergols pour la même poussée). Un moteur de 0,4 N est en développement par Snecma Moteurs. Un moteur expérimental de 3 N a fonctionné aux USA. Or, 30 moteurs électriques de 3 N suffiraient à lancer vers Mars un lourd vaisseau habité de 50 tonnes en quelques semaines (pour 6 mois de voyage).

D'autres modes de propulsion sont possibles : par échange d'énergie entre masses liées par des câbles de centaines de kilomètres de long (déjà expérimenté jusqu'à 20 km !), par envoi d'énergie par laser (testé sur quelques dizaines de mètres), par voile solaire (les photons et particules émis par le soleil exercent la poussée) ...

Pour décoller de la terre, comme pour aller plus loin dans l'espace explorer les planètes voisines, à commencer par Mars, la propulsion restera toujours la clé du voyage !