Principe et technique de la propulsion des fusées

 

La propulsion des fusées

La propulsion des fusées : les fusées ou les navettes (Les navettes ont des moteurs de fusée) se propulsent en utilisant le principe : « Action = réaction ». C’est la troisième loi de Newton, principe selon lequel à toute action correspond une réaction égale et de direction opposée.

Lorsque vous lancez une pierre au loin, vous produisez une force pour vaincre l’inertie du projectile. Cette force s’exerçant, sur votre main, dans le sens contraire de la trajectoire de la pierre, tend à vous faire reculer. C’est ce même phénomène de recul qui est utilisé pour la propulsion des fusées. Durant ce court laps de temps, votre main est un moteur à réaction. Imaginons que vous vous trouviez sur des patins avec des roulettes mécaniquement parfaites, c’est à dire sans aucune résistance, votre premier jet de pierre vous ferait déjà rouler.

Ainsi un moteur à réaction est vraiment très simple dans son principe de base.

Pour continuer à vous propulser, il faudrait lancer d’autres pierres. Mais vous ne pouvez emporter avec vous qu’un certain nombre de pierres, votre réserve ne sera pas infinie. Or, nous avons vu que, pour conquérir l’espace, il faut atteindre de grandes vitesses, (8 km/s pour se mettre en orbite autour de la Terre). Par conséquent, il vous faudra tirer le meilleur parti de la masse destinée à la propulsion (les pierres). Pour optimiser le rendement de votre propulsion, par rapport à une masse propulsive donnée, il faudrait la lancer avec la plus grande force possible. Plus vous lancerez cette masse avec vigueur, plus vous obtiendrez un effet de réaction important.

Donc, pour obtenir un moteur à réaction le plus puissant possible, pour une masse éjectée donnée, on va éjecter cette masse avec le plus de force possible. Autrement dit, avec la plus grande vitesse d’éjection que nous puissions atteindre.

Pour ce faire, nous n’allons pas lancer des pierres car nous ne savons pas le faire avec une efficacité satisfaisante. Nous allons utiliser une chambre de combustion à l’intérieur de laquelle nous chaufferons des gaz qui seront éjectés par un orifice appelé tuyère. Il nous faut trouver la combustion qui nous permettra d’obtenir la plus grande vitesse d’éjection possible.

La propulsion des fusées. Coupe fusée

On appelle « ergols », les carburants et les comburants que l’on utilise à cette fin.

 

Vitesses d’éjections selon différents ergols :

Kérosène / oxygène : 3100 m/s.

Meilleurs composés azotés : 3400 m/s.

Hydrogène / oxygène : 4500 m/s.

 

Calcul de la vitesse de la fusée :

En supposant une vitesse d’éjection quelconque, mais uniforme et l’absence de toutes forces extérieures ou résistances (champ de gravitation, atmosphère…)

A) Soit : L’instant T1 ou la masse de la fusée est de M1.

B) Puis : L’instant T2 ou la masse de la fusée est de M2.

C) (Entre ces deux instants la fusée a éjecté une masse égale à M1-M2).

D) Chaque fois que M1/M2 sera égal à 2,718 la fusée gagnera une vitesse égale à sa vitesse d’éjection. Hein ? Oui ! 2,718 c’est bien (e) la base du logarithme népérien.

Un exemple :

Une fusée à un instant (T1) à une masse (M1) de 1 000 t. Un peu plus tard, à l’instant (T2), on constate que la masse de cette fusée n’est plus que de 367,92 t. Entre ces deux instants cette fusée a éjecté 1 000- 367,92 = 632,08 t.

D) 1 000 / 367,92 = 2,718 on à bien M1/M2=ln, donc la fusée, entre ces deux instants, a gagné sa vitesse d’éjection. On peut imaginer la même chose un autre instant plus tard, T3 par rapport à T2 etc.

 

La propulsion des fusées, conclusion :

Pour calculer le gain de vitesse après éjection d’une certaine masse on utilise l’équation de Tsiolkovski : Formulée dès 1903 par Konstantine Edouardovitch Tsiolkovski, elle est égale à la valeur absolue du produit de la vitesse d’éjection (Véj) du jet propulsif par le logarithme népérien (ln) du rapport de masse (M1/M2) de la masse initiale de la fusée à sa masse restante après éjection d’une propulsive :

L’équation de Tsiolkovski décrivant la propulsion des fusées :
dv = Véj.e (M1/M2)

dv (delta vitesse) = Variation de vitesse de la fusée.

Véj = vitesse d’éjection.

e = 2,718 = Base du logarithme népérien.

M1 = Masse initiale de la fusée.

M2 = Masse restante après éjection d’une masse de propergol.

La propulsion des fusées, tableau accélération 1

 

Le tableau suivant représente l’ascension d’une fusée Saturne 5, durant la combustion de son premier étage. (Ergols utilisés : kérosène et oxygène) Saturne 5 est la fusée du programme Apollo qui a amené les hommes sur la lune. En deux minutes 2 000 tonnes d’ergols sont consumés à raison de 13 t par seconde. Les cinq tuyères produisent une force de 3 500 tonnes et libèrent 160 000 000 de chevaux. On peut voir que la vitesse atteinte en fin de combustion de ce premier étage est de : 2 400 m/s. La masse restante est de 750 tonnes.

La propulsion des fusées, tableau accélération 2

Pour alimenter les 160 millions de chevaux, une pompe de 140 000 chevaux est nécessaire afin de déverser 13 t d’ergol par seconde dans les chambres de combustion (C’est l’équivalent d’une pompe à essence pour une voiture). 140 000 chevaux, c’est la puissance totale d’un porte-avions comme le Foch. La puissance de 160 Millions de chevaux, quant à elle, ne peut être comparés. Aucune autre machine mobile inventée par l’homme, ne s’en approche. C’est la puissance totale dégagée par 160 000 Formules 1 !

 

La Fusée est un ballon qui se dégonfle :

La propulsion des fusées. La Fusée est un ballon qui se dégonfle

Comme nous venons de le voir, le principe de fonctionnement d’une fusée est somme toute très simple. En fait, la chambre de combustion est tout simplement une sorte de ballon perfectionné en ce sens qu’il se remplit au fur et à mesure qu’il se dégonfle. En effet, il n’y a aucune différence, de principe, entre un ballon en baudruche qui se dégonfle et la plus sophistiquée des fusées. Les forces de pressions qui s’exercent à l’intérieur d’un l’espace clos, ici uniquement représentées par quelques flèches, sont uniformément réparties sur la surface intérieure du ballon ou de la chambre de combustion. Ces forces appuient sur toute la surface hormis en un lieu où se trouve une ouverture, celle de la valve pour le ballon, celle de la tuyère pour la fusée. Les forces qui s’exercent en face de cette ouverture étant les seules à ne pas avoir de forces opposées… Il est facile de comprendre pourquoi la fusée avance.

 

La propulsion des fusées. Schéma du refroidissement de la tuyère

La fusée et le simple ballon même principe donc ! mais avec une énorme différence de sophistication. Voyons un seul exemple de cette sophistication. Étant donné que l’on tente d’obtenir la plus grande vitesse d’éjection possible, il règne, à l’intérieur des chambres de combustion et dans les tuyères, un véritable enfer. Aucun matériau ne saurait résister plus de quelques secondes à ce déluge de feu sous ces pressions colossales. Il est donc important de refroidir en permanence la chambre de combustion et la jupe de la tuyère. D’un autre côté on ne peut pas se permettre d’embarquer une masse réservée à ce refroidissement. Ce luxe réduirait considérablement la charge utile de la fusée. Voici le moyen ingénieux mis au point par l’ingénierie astronautique. La photo montre l’intérieur de la tuyère d’une fusée Saturn 5, celle d’Apollo, le programme d’exploration humaine de la Lune. On peut voir qu’elle est entièrement constituée de tubes et on distingue un homme au centre, à travers l’ouverture qui débouche sur la chambre de combustion. Ces tubes servent à faire passer les ergols liquides très froids, (entre -250 et -180 degrés centigrades) avant de les envoyer se consumer dans la chambre de combustion. Ceci permet d’obtenir un double effet : Refroidir le moteur de la fusée et réchauffer les ergols qui seront d’autant plus prêts à s’enflammer.

Photo du refroidissement de la tuyère
 

Boris Tzaprenko

 

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