Les Fusées
a) principe et origine des fusées
Le principe de base d’une fusée est de se propulser dans l’espace grâce à la combustion d’un carburant avec un comburant (ce principe était utilisé avant par les chinois). La troisième loi de Newton (1643-1727) explique : « Pour chaque action, il existe une réaction égale et opposée : l’action est toujours égale à la réaction ; c'est-à-dire que les actions de deux corps l’un sur l’autre sont toujours égales, et dans des sens opposés » ; cette loi permet un essor dans le développement des fusées. Elle s’illustre par l’équation :
La loi de Newton étant valable en tout lieu, ce principe peut fonctionner dans l'atmosphère terrestre comme dans le vide.
Constantin Tsiolkovski (1857-1935) est le premier à avoir imaginé les plans d’une fusée capable d’aller sur la Lune. Le 16 mars 1926, l'Américain Robert Goddard est l’un des premiers à lancer une fusée utilisant des ergols liquides (association d’un carburant et d’un comburant). La seconde guerre mondiale provoque la création des missiles V2 qui fonctionnent sur le même principe qu’une fusée. Cette guerre a donc provoqué une avancée considérable dans l’aérospatiale.
Pour le carburant, on utilisait à l’origine du kérosène, il était peu efficace, on a donc utilisé de l’hydrogène liquide plus efficace et moins coûteux que les autres carburants. Pour le comburant, on utilise aujourd'hui du dioxygène liquide.
Schéma expliquant le principe d’une fusée
http://www.vision-espace.fr/?q=node/20
b) les différents moteurs
Le moteur d'une fusée réalise la combustion d'un combustible par un oxydant dans une chambre de combustion. Cette réaction produit des gaz qui augmentent la température et donc la pression. Les gaz cherchent alors à s’échapper et le font par l’unique sortie : la tuyère. Les gaz sont donc dirigés et éjectés par cette dernière de manière comprimée. Cette réaction se déroule à l'intérieur du moteur et ne nécessite aucun comburant extérieur, comme l'oxygène contenu dans l'air.
Le propergol peut être sous deux états physiques :
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Solide : les moteurs à propergols solides sont appelés moteurs à poudre. Le moteur n’est formé que de la chambre de combustion et de la tuyère. Ils sont alors de forme cylindrique, pour contenir les propergols en poudre que l’on peut contrôler à distance. Les propergols solides ne sont pas aussi efficaces que les propergols liquides cependant, ils sont plus faciles à stocker sur une longue durée (toujours utilisés dans un but militaire). De plus, pendant la combustion, il est impossible de contrôler la poussée et donc de régler la vitesse de la fusée. On peut cependant modifier la force de la poussée en modifiant la surface brûlée : plus la surface est grande, plus la poussée est forte.
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Liquide : les moteurs à propergols liquides sont plus complexes que les moteurs à poudre. Les propergols sont stockés séparément à l'état liquide dans des réservoirs sous pression et à des températures très basses pour qu’ils restent à l’état liquide. Des pompes d'alimentation injectent les propergols dans la chambre de combustion, elles fonctionnent à partir d'une énergie récupérée dans la chambre de combustion. Une structure transmet les forces de poussée, et des systèmes de contrôle vérifient l’importance des flux de propergols.
Par exemple, les moteurs actuels utilisent le dioxygène liquide (maintenu à -183°C) comme comburant et le dihydrogène liquide (-253°C) comme combustible. La réaction de combustion est la suivante :
Cette combustion est l’une des seules à être non polluante, car le produit de cette réaction n'est autre que de l’eau.
Schéma des différents types de moteurs
ESTACA
c) cas des missions lunaires
La fusée utilisée lors des missions lunaires était Saturn V d’une taille de 110 mètres. Elle était composée de différents étages qui se séparaient à différents moments lors d’une mission permettant ainsi de réduire la masse de la structure au fil du temps. Elle était composée de 2 parties : Une partie moteur et une partie habitacle.
La partie moteur (le lanceur) est divisée en 3 étages. Le premier sert au décollage de la fusée (2 minutes 30) puis se sépare du reste de Saturn V pour qu’elle perde du poids et gagne de la vitesse. Le second étage assure ensuite le rôle de moteur et une fois les stocks d’ergols consommés, le 2ème étage se détache. Le 3ème étage reprend ce rôle à nouveau pendant 1mn30 jusqu’à ce que la fusée se libère de l’orbite de la Terre.
Le moteur éjecte d'importantes quantités de gaz dans une direction donnée pour provoquer une force de poussée dans l’autre sens lui permettant de décoller. Cette force de poussée délivrée doit être supérieure ou égale à l’attraction de la fusée par la Terre. D’où la relation :
A gauche : plan de la fusée Saturn V
http://max.q.pagesperso-orange.fr/apollo/Missions/presentation.htm
d) fusées actuels
Aujourd’hui les fusées servent désormais de lanceurs : elles envoient des satellites en orbite. Certaines fusées comme Ariane V produisent une poussée suffisante à une masse de 1 200 tonnes pour vaincre la gravité. La fusée a une masse de 740 tonnes, elle peut donc voler à très grande vitesse (9km par seconde). Il ne faut que 2 minutes pour que les combustibles des propulseurs à poudre soient entièrement consommés ce qui permet de sortir de l'atmosphère. Le moteur du deuxième étage donne alors une augmentation de vitesse pour ensuite donner le relais au moteur du troisième étage qui injecte avec précision le satellite sur son orbite. Les fusées Ariane V lancent plus de la moitié des principaux satellites commerciaux du monde (70% environ).