Les différents types de propulsions
Le 14 décembre 1972, vers 16h55, le module LEM de l’équipage Apollo 17 décolle de la Lune. Depuis cet instant fatidique, l’être humain n’est plus retourné fouler le sol de son satellite naturel. A ce moment-là le public américain trouve banal et inutile d’aller sur la Lune, et les missions Apollo 18, 19 et 20 sont finalement annulées. L’engouement initial du public terrien s’amenuise petit à petit et voilà qu’aujourd’hui cela fait près de 45 ans que nous n’avons plus dépassé l’orbite basse terrestre. Pourtant, dans ces mêmes années 1960, certains ingénieurs de la NASA imaginaient déjà une première excursion martienne pour l’année 1978 et une installation permanente sur la Lune pour 1981 grâce au projet du moteur Nerva. Mais coupes budgétaires obligent, le projet Nerva est tombé à l’eau et c’est surement la première fois qu’une décision politique à infléchit le futur de l’humanité. Tel est le triste constat que nous pouvons dresser actuellement, qui plus est aujourd’hui aucun lanceur n’est capable de rééditer l’exploit de Saturn V et la NASA, à l’époque la plus grande agence spatiale mondiale, est privée de tout type de lanceur depuis le dernier vol de navette spatiale.
Les premiers travaux effectués sur les propulsions pour les fusées sont celles du russe Tsiolkovski qui imagine dès 1903 une fusée propulsée par ergols. Mais existe-t-il plusieurs types de propulsions et qui sont-ils ?
Lanceur Saturn V développé par la NASA pour sa mission Apollo
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Une grande majorité des moteurs fonctionne grâce à la combustion d’un combustible permise par un comburant. L’exemple de la combustion le plus commun est celui du feu de bois : le bois brûle, c’est le combustible, grâce à l’association d’O2 qui est le comburant et permet la combustion. Il faut cependant, comme le précise le triangle du feu, de l’énergie pour lancer la réaction.
Le moteur le plus commun aujourd’hui est le moteur à explosion. Celui-ci fonctionne par la combustion de carburant qui explose dans les chambres à combustion créant donc une pression sur les pistons qui vont entrainer une bielle de transmission en s’abaissant. Les pistons, souvent 4, fonctionnent de manière asynchrone, la descente d’une moitié permet la relève le l’autre et donc la mise sous pression des gaz. On a donc un mouvement de translation qui est transformé en un mouvement de rotation en sortie. On comprend donc qu’il n’est pas compatible avec le milieu spatial, car une rotation ne peut permettre un déplacement dans le vide car il n’y a pas d’air.
Pour se déplacer dans l’espace, il faut produire une poussée grâce à une propulsion de gaz. Trois moyens sont donc retenus, la propulsion chimique, la propulsion ionique et la propulsion nucléaire.
La propulsion chimique
La méthode de propulsion chimique est extrêmement puissante, c’est actuellement la seule méthode capable d’envoyer une charge en orbite. Tous les moyens de propulsion spatiaux actuellement fonctionnels font appels au principe d’action-réaction. Ce dernier a été théorisé par Isaac Newton à la fin du XVII e siècle. Cela consiste à dire que toute force émise d’un corps vers un autre corps engendre une force égale opposée.
Théorie de Isaac Newton
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La méthode de propulsion chimique va elle produire cette action en propulsant des gaz à l’arrière du véhicule qui produit donc une réaction permettant au véhicule de se déplacer. Par exemple la fusée Ariane 5, lors de son décollage a générée une poussée de plus de 13 000 kN pour s’arracher de l’attraction terrestre. C’est Constantin Tsiolkovski qui imagine le premier qu’un engin doté de propulsion chimique puisse être placé en orbite. Il va également comprendre le réel avantage d’un carburant liquide par rapport à un carburant gazeux. En effet le carburant liquide peut brûler dans l’espace contrairement aux poudres habituels de l’époque, qui ont besoin d’air dans leurs combustion. Les deux composés chimiques à l’origine de la réaction vont être appelés ergols.
Le premier obstacle de cette méthode est la création d’un moteur efficace. En effet l’invention d’un moteur, du début de recherche à la production, peut prendre des dizaines d’années. De plus la technologie mise au point est gardée précieusement car elle va être notamment à l’origine du fonctionnement des missiles stratégiques qui fonctionnent sur le même principes. Thomas Pesquet a même avoué durant une interview de cette année que monter à bord d’une fusée Soyouz équivaut à s’accrocher à un missile balistique.
Décollage de la fusée Ariane 5 qui génère une poussée énorme
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Les moteurs à propulsion chimique peuvent être classés en deux grandes catégories :
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Les moteurs à ergols solides ont la particularité d’assembler les deux composant chimiques de la réaction, l’oxydant et le réducteur, dans le même réservoir. Ces mélanges peuvent être très complexes. L’énergie nécessaire au début de la réaction est fournie par une flamme, cette réaction va être qualifiée d’explosive : elle produit une énorme quantité de gaz en très peu de temps. Les avantages de cette méthode est son coût peu élevé, sa propulsion forte et sa faible complexité.
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Les moteurs à ergols liquides sont à la fois beaucoup plus complexes mais également beaucoup plus efficaces. L’oxydant et le réducteur sont cette fois ci séparés dans deux réservoirs différents, puis injectées dans une chambre de combustion pour que leurs produits soient éjectés à travers une tuyère. Pour obtenir une forte poussée, l’objectif va être de brûler un maximum d’ergol en un minimum de temps. Pour cela, on utilise un injecteur que l’on appel turbo-pompe, qui injecte les ergols sous haute pression et permet ainsi d’en injecter plus dans un temps réduit.
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Schéma d'un propulseur à ergol solide
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On retrouve cependant un inconvénient identique à tous les moyens de propulsion chimiques qui est son aspect éphemère. En effet puisque cette méthode de propulsion est basée sur une combustion produisant une éjection de gaz, il y a une perte d’ergol permanente. De ce fait cette méthode ne convient pas pour atteindre une grande vitesse, car la quantité de carburant est limitée.
Cette étude de rentabilité entre consommation de carburant et la poussée de l’engin s’appelle l’impulsion spécifique, souvent abrégée Isp et nous donnant une valeur en secondes. Celle-ci nous permet de determiner la durée de propulsion de l’engin en secondes en consommant un kg d’ergol (et en considérant que celui-ci est soumis à l’attraction terrestre).
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On a alors :
C'est-à-dire que l’Isp est égale au quotient de la force de poussée et du produit du débit massique d’éjection des gaz et de la constante de gravité terrestre. On voit alors très bien que plus le débit d’éjection des gaz est élevé, pour une force émise égale, moins l’ISP sera importante. Le débit est bien en quotient et l’Isp en est donc inversement proportionnel.
PROPULSION électrique
La propulsion chimique est basée sur l’éjection d’une grande quantité d’ergols mais à une vitesse très peu élevée. De plus elle consomme très rapidement une grande quantité d’ergols et n’est donc pas adaptée aux vols de très longues distances. En effet elle a une Isp (impulsion spécifique) peu élevée, les moteurs à propulsion chimique ont une Isp d’environ 400sec.
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La propulsion électrique, quant à elle, fait le pari d’éjecter peu d’ergols mais à une très grande vitesse. Ainsi elle aura une Isp bien supérieur aux alentours de 800sec. Cependant la propulsion électrique ne peut pas faire sortir à elle seule une fusée de l’attraction terrestre car elle ne peut pas émettre une force suffisante. Donc il faudra toujours un engin fonctionnant à la propulsion chimique pour s’échapper de l’attraction terrestre. Elle par contre idéale pour les vols interplanétaires.
Comme son nom l’indique, la propulsion électrique utilise l’énergie éponyme pour accélérer les ergols qui sont souvent des gaz inertes. Ce procédé a pour avantage d’économiser la quantité d’ergols à transporter car leur accélération permet d’en éjecter moins, et c’est là tout l’attrait de ce type de moteur. On décrit cette efficacité de consommation dans Isp (impulsion spécifique). Plus celle-ci est élevée, plus un moteur est efficace. Les méthodes d’accélération sont très variables et l’on peut les classer en 3 grandes catégories : électrothermique, électrostatique et électromagnétique. Certains moteurs peuvent même utiliser plusieurs méthodes à la fois comme le moteur Vasimr.
PROPULSION nucléaire
L’utilisation de la fission nucléaire dans les méthodes de propulsions spatiales est depuis longtemps sujette à de nombreuses recherches. En effet, elle permettrait d’allier forte productivité et faible masse par la miniaturisation d’un réacteur nucléaire. Cependant, deux possibilité d’utilisation de cette énergie s’offrent à nous, soit l’utilise pour alimenter un système de propulsion électrique à forte puissance, soit on utilise directement l’énergie thermique de la réaction pour éjecter des gaz à très haute vitesse.
Une telle technologie fit déjà l’objet de nombreuses recherches par le passé, avec notamment le projet NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application - moteur nucléaire pour application moteur-fusée).
Dessin en coupe du moteur NERVA.
Il s’agit d’un programme mené par la NASA entre 1960 et 1972 ayant pour objectif de développer une technologie de propulsion nucléaire thermique. De nombreux prototypes de réacteurs sont testés dans le cadre de ce programme dont l'objectif est de participer au développement d'un véhicule en vue d'une mission spatiale habitée vers la planète Mars.
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Cette technologie de propulsion consiste à éjecter à grande vitesse de l’hydrogène chauffé par un réacteur nucléaire. En effet, les températures extrêmes produites par le réacteur tendent à augmenter le volume de l’hydrogène injecté dans le cœur du réacteur. Mais n’ayant comme seule sortie possible pour se détendre le col de la tuyère, il est alors éjecté à très haute vitesse de l’engin.
C’est avec un tel principe de fonctionnement qu’entre 1968 et 1969, un modèle expérimental fut produit par la NASA, ayant une poussée de 250 à 350 kN. Un poussée forte mais bien insuffisante pour faire décoller une fusée et s’extraire de l’attraction terrestre. Il faut en effet couplée la propulsion nucléaire à une propulsion chimique, cette dernière ne servant que pour le décollage. C’est dans l’espace que le nucléaire prend tout son sens car grâce à la haute vitesse de l’hydrogène expulsé, il n’est pas nécessaire d’éjecter une grande quantité de matière pour disposer d’une poussée adéquate. Ainsi, un tel type de propulsion détient une Isp aux alentours de 900s, contrairement à celle d’une propulsion chimique d’environ 400s.
En 2018, la Russie voudrais tester la propulsion nucléaire pour aller sur Mars en 45 jours.
Moteur plasma VASIMR conçu par Ad Astra Rocket Company, capable d'aller sur Mars en 39 jours.
Commençons par la méthode électrothermique, celle-ci utilise le principe de détente des gaz. Pour faire simple, un gaz occupe plus de d’espace s’il est chauffé et/ou à faible pression. Dans l’espace on peut donc produire une poussée en chauffant un gaz pour l’obliger à occuper plus de gaz et en ne lui laissant qu’une seule porte de sortie pour pouvoir se détendre : la tuyère. On peut donc tout simplement chauffer le gaz via une résistance électrique (résistojet) ou bien un arc électrique (arcjet).
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Les bases de la propulsion électrique sont jetées par Robert Godard, suivi de peu par Constantin Tsiolkovski et Herman Oberth. Mais il s’agit là encore de théorie, la pratique arrive après dans les années 60. C’est en 1964 que le premier moteur dit « à plasma pulsé » est envoyé dans l’espace par l’URSS. Le césium et le mercure sont alors utilisés, et ceci va perdurer jusqu’au année 80. Juste avant, le satellite soviétique Meteor utilise pour la première fois des propulseurs électriques à effet Hall. Puis les moteurs ioniques font leur grande entrée grâce aux ingénieurs japonais
Satellite soviétique de type Meteor 1 qui permet de tester plusieurs équipements.