Qu’est-ce qu’un moteur-fusée?

Le décollage d’une fusée est toujours très impressionnant: beaucoup de bruit, beaucoup de fumée, beaucoup de stress. Ce qui nous amène  à nous demander: comment ça marche? Le Spatioscope vous propose quelques explications, en vous demandant bien sûr de ne pas reproduire cela chez vous…

giphy (3).gif
Un moteur Merlin en pleine action. Crédits: Nasa

Le principe du moteur-fusée

3ria-810
Constantion Tsiolkovski, le père de l’astronautique. Vous pouvez admirez son magnifique cornet acoustique ainsi que ses croquis à l’exposition « Kosmos » à Moscou (Parc VDNX, Pavillon n°1). Crédits: http://spatial.forumdediscussions.com/

Il existe plusieurs types de propulsion pour les lanceurs et vaisseaux spatiaux actuels. Nous traiterons ici des moteurs-fusées à ergols liquides, les plus populaires.

Un tel moteur éjecte un gaz à haute vitesse dans une direction précise. Par réaction, l’engin se déplace dans la direction opposée. C’est l’un des principes établis par Isaac Newton: à toute action correspond une réaction de force égale et de sens opposé.

C’est un russe, Konstantin Tsiolkovski qui a eu l’idée d’appliquer ce principe à la propulsion d’engins spatiaux. Il y a vu deux avantages:

  1. Ce type de propulsion fonctionne aussi bien dans l’atmosphère que dans l’espace. Dans le second cas, vous ne pouvez pas utiliser le vide spatial pour appuyer votre poussée. Par exemple, un oiseau peut battre des ailes pour créer son mouvement. Il utilise le gaz environnant pour l’éjecter vers l’arrière et ainsi se déplacer vers l’avant. C’est la même chose pour un nageur, qui propulse une certaine masse d’eau dans la direction inverse à son mouvement. Mais si un cosmonaute décide de pratiquer la brasse dans l’espace, c’est une très mauvaise idée! Sans gaz pour porter sa poussée, impossible de se déplacer, seule comptera l’impulsion initiale depuis son vaisseau spatial. Une fusée a l’avantage d’emporter son propre gaz, et peut ainsi créer son mouvement même dans le vide.  
  2. En éjectant le gaz emporté, la fusée s’allège au fur et à mesure. Elle devient ainsi de plus en plus légère, et accélère de plus en plus. On peut écrire ce rapport sous la forme de l’équation de Tsiolkovski, qui est à la base de l’astronautique actuelle.

Ces avantages sont aussi des faiblesses: il faut maîtriser très précisément la vitesse d’éjection et la combustion des gaz, sous peine de voir la fusée exploser. De même, le gaz emporté est très lourd, et peut représenter une part très importante du poids total du lanceur. Pour Ariane 5, l’étage principale cryogénique pèse 188t au décollage, mais 12t à vide!

Des réservoirs sous pression

unvraimysterejesperecettefois-1031x820
Des techniciens en train de préparer le réservoir du premier étage d’une Saturne V. Crédits: laboiteverte.fr

Si vous avez bien compris le principe, vous comprenez qu’il faut que votre fusée emporte:

  • Une charge utile: un satellite, un vaisseau spatial habité, etc.
  • Un réservoir de gaz à éjecter: c’est le corps de la fusée.
  • Un système d’éjection des gaz: c’est le moteur-fusée.

La plus simple façon d’éjecter des gaz est de les mettre sous pression: c’est ce qui se passe avec un ballon de baudruche: en soufflant dans le ballon, vous le remplissez de gaz  tout en tendant la paroi en caoutchouc. C’est cette paroi qui, en reprenant sa forme initiale, va propulser les gaz par le trou, et envoyer votre ballon dans la direction opposée. Action et réaction.

On a cependant jamais vu une fusée se dégonfler! Les parois étant rigides, il vous pouvoir mettre les gaz sous pression autrement. Les ingénieurs on trouvé une solution simple: on introduit dans le réservoir un gaz inerte (azote ou hélium par exemple) qui va augmenter la pression et propulser le contenu vers la tuyère d’échappement. Mais ce n’est pas tout! Pour augmenter encore l’efficacité de pressurisation du gaz inerte, on va le chauffer en utilisant les hautes températures générées par la combustion des gaz éjectés. Les gaz chauffés sont ensuite introduits dans les réservoirs par des valves qui permettent de contrôler précisément la pression. Voilà pourquoi sur Ariane 5, le petit réservoir d’hélium se trouve à côté de la tuyère.

Accélérer les gaz: une affaire de turbopompes

Moteur vulcain
Un moteur vulcain. On peut apercevoir sur ce croquis les turbopompes (une pour l’oxygène, une pour l’hydrogène, en bleu), les échappements des turbines à gaz, le dispositif d’allumage, le générateur, et les réservoirs de gaz inertes (en jaune). Crédits: Le Spatioscope

Le problème avec ce type d’éjection, c’est qu’il faut que les parois du réservoir soient très solides pour résister à la mise sous pression. Cela veut dire que les réservoirs doivent être plus lourd. Pour éviter cela, la plupart des moteurs actuels utilisent une turbopompe. C’est elle qui va accélérer les gaz à haute vitesse, et créer le mouvement.

La turbopompe a une cadence incroyable, certains modèles pouvant atteindre plusieurs milliers de tours par minute.  Elle fonctionne grâce à une turbine à gaz, elle-même entraînée par un générateur à gaz. Pour le faire fonctionner, une prélève une partie des gaz éjectés, qui sont ensuite expulsés après utilisation. 3% de la totalité des gaz est utilisé pour faire fonctionner les turbopompes du moteur Vulcain du lanceur Ariane 5. D’autres variantes existent aussi, par exemple en réutilisant les gaz, ou bien en utilisant des ergols cryogéniques. Restons simples, et voyons ce qui se passe ensuite.

A ce point, les gaz ont déjà été accélérés deux fois: la première fois grâce à la mise sous pression des réservoirs, la seconde grâce à une turbopompe. Les gaz entrent alors à haute vitesse dans la chambre à combustion. Une vitesse qui peut être modulée grâce à des injecteurs, qui rendent le moteur fusée liquide beaucoup plus intéressant que le propulseur à ergol solide (les “boosters”) qui ne peut ni régler sa vitesse, ni même s’arrêter.

La mise à feu

giphy (4).gif
Mise à feu des moteurs d’une navette spatiale américaine. Crédits: Nasa

La chambre à combustion, comme son nom l’indique, permet de mettre le feu aux gaz éjectés. Pour ceux qui se souviennent de leurs cours de physique-chimie, une combustion est une réaction chimique, qui nécessite un combustible (une matière à brûler), un comburant (une substance qui permet la combustion) et une source d’ignition. Ces trois éléments sont réunis dans la chambre à combustion.

Pour un moteur-fusée, on utilise généralement un mélange hydrogène liquide/oxygène liquide. Ce mélange est réalisé grâce aux injecteurs, d’où l’importance capitale de ces pièces dans l’ensemble. En effet, si le mélange n’est pas homogène ou bien si les proportions ne sont pas les bonnes, le moteur ne fonctionnera pas.

La mise à feu elle-même peut être réalisée par différents moyens, mais généralement on utilise des charges pyrotechniques lors de l’allumage du moteur.

Pourquoi mettre le feu aux gaz éjectés? Là encore, il s’agit d’accélérer les gaz à très haute vitesse: un gaz chaud est très dilaté, la pression dans la chambre de combustion augmente considérablement. Or nous avons vu qu’un gaz sous pression permet de générer une poussée plus importante. A la sortie de la chambre de combustion, les gaz peuvent atteindre une vitesse de plus de 2000m par seconde. Et ce n’est pas fini!

L’ultime étape: la tuyère

PhotoELF Edits: 2011:03:06 --- Batch JPG Compressed YUV411 EXIF 60 %

La tuyère peut être orientée grâce à des vérins, afin de diriger la fusée. Contrairement à ce que l’on peut penser, la tuyère ne joue pas uniquement ce rôle d’orientation des gaz éjectés. Elle les accélère aussi, en transformant l’énergie thermique (température)  en énergie cinétique (force due à un mouvement).

La forme de la tuyère est capitale, car elle permet d’optimiser la poussée. En effet, si vous injectez un gaz à vitesse subsonique dans un conduit qui se rétrécit, sa vitesse augmente. Mais à vitesse supersonique, le phénomène s’inverse! D’où la forme conique des tuyères de moteur-fusées.

Le but de la tuyère est de diminuer la pression des gaz éjectés. A la sortie de la chambre de combustion, cette pression est écrasante. Pour que la poussée soit optimale, il faut que la pression des gaz soit égale à la pression ambiante. Cela n’est pas le cas pendant la plus longue partie du vol, car la pression passe de 1 bar au niveau du sol, à 0 dans le vide spatial. Par conséquent, les gaz expulsés ont souvent une pression supérieure à l’environnement ambiant. On choisit donc cette option qui permet aussi de raccourcir la taille de la tuyère, et donc le poids global du lanceur. Cela se traduit par une perte de poussée (3% pour Vulcain).

D’autres stratégies sont choisies, par exemple en augmentant le volume interne de la tuyère (moteur-fusée des navettes américaines) , ou bien en donnant plusieurs tuyères à une seule chambre de combustion (c’est le cas des moteurs russes). Des nouveaux modèles de tuyères peuvent aussi s’allonger au fur et à mesure du vol pour s’adapter à la baisse de pression. De manière générale, les tuyères des étages supérieurs sont plus longs que celles des étages inférieurs.

Des contraintes impressionnantes

untitled3
Un schéma expliquant le circuit de refroidissement du moteur-fusée. Crédits: Science et Vie

 

La température générée par le fonctionnement du moteur est la première de ces contraintes:  Les gaz éjectés par le moteur Vulcain d’Ariane  atteignent 3300 degrés en sortie de tuyère. Par conséquent, il est nécessaire de refroidir l’intégralité du moteur. Pour éviter d’avoir à emporter un système de refroidissement indépendant, les ingénieurs ont trouvé une solution très intéressante.

Nous avons vu que les moteurs ont besoin de carburant et de comburant pour fonctionner, généralement de l’oxygène et de l’hydrogène liquide. Or, pour maintenir ces éléments sous leur forme liquide, il est nécessaire qu’ils soient stockés à très basse température (-182° pour l’oxygène,et -250° pour l’hydrogène.  La solution des ingénieurs consiste donc à faire circuler ces ergols dans de minuscules canalisations qui sillonnent la chambre de combustion et la tuyère. En fait, la tuyère elle-même est composée de tuyaux soudés les uns aux autres. D’une apparence extérieure très simple, cette pièce est en réalité l’une des plus difficile à produire, et le moindre défaut peut se payer au prix fort (voir l’échec du vol 157 d’Ariane 5).

Autre contrainte, la pression générée par la poussée sur la structure de l’appareil. L’intégralité de la poussée, qui dépasse généralement les 1000t, est supportée par des points très précis du moteur: le col de la tuyère, et le cardan. La forme particulière du col de la tuyère rend difficile sa résistance à de fortes contraintes. Par conséquent, on utilise des matériaux et des alliages qui la rendent indestructibles.  Le cardan fait le lien entre le moteur et le corps de la fusée. L’ensemble de l’énergie de la poussée passe par cette partie, qui permet aussi au moteur de s’orienter. Là aussi, les pièces sont d’une solidité à toute épreuve.

Félicitations, vous savez désormais comment marche un moteur-fusée! De multiples versions existent, avec du triergols, des tuyères Laval, plusieurs chambres de combustion, etc.

giphy.gif

N’hésitez pas à commenter et à poser vos questions!

Publicités

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion /  Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion /  Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion /  Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion /  Changer )

Connexion à %s