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Moteurs | Guidage | Charges Utiles
Moteurs
Moteur Russe à deux chambres RD-180. Il propulse aussi
bien des fusées Russes qu'Américaines. (Doc RKA 2004)
Le moteur fusée nerf de la guerre !
Ce titre très abusif ici, fait allusion a l'acteur principal qui
va nous permettre d'envisager, puis d'investir notre proche
espace cosmique, nous parlons du moteur fusée. A la fin
du XX ème siècle et au début du suivant il y a une pose
manifeste dans le développement technologique de ces
moteurs fusées ; seuls des programmes d'échange de
technique permettent de disposer de vecteurs plus souples
pour l'utilisation commerciale de l'espace. Par exemple la
célèbre fusée US Atlas dans sa version III est motorisée
par des réacteurs russes originellement des RD-180 !
Une image du progrés technologique : ici 3 moteurs
Américains des années soixante sont remplacés par
2 moteur Russes des années soixante, en 2001 !
(Doc Convair 1965 et Doc Lockheed Martin 2003)
Examinons le sujet :
Les moteurs fusées et leurs "Gourou".
Les plus beaux montages fusée du 20 ème siècle, bien
entendu resteront la très célèbre Saturn V qui a poussé
les astronautes US sur la Lune, et le complexe Energia
Soviétique qui tient encore aujourd'hui le record de
poussée et qui a servit à la mise en orbite de la navette
Bourane. Notons au passage que tous ces succès sont
dûs à l'utilisation de moteurs à combustion chimique soit
à carburant et comburant liquides, soit mixte, soit
entièrement à carburant solide.
Plan du complexe Energia, à noter les 20 moteurs à
piloter dont 4 à flux intégré et hydrogène/oxygène.
(Doc RKA, dessin X, 1995)
Des projets, dont certain très avancés, d'utilisation de
réacteurs nucléaires comme le projet US Nerva (moteur XE)
seront stoppés grâce aux protestations (entièrement justifiées
à cette époque) des ligues écologistes et anti-nucléaires
mondiales. Il faut dire que des lancements "irresponsables"
de certain satellites en orbite terrestre comme les satellites
radar maritimes, équipés de réacteur Topaz 2 en URSS
dont on avait pas prévus les retombées ont discrédités les
Etats comme l'Amérique et l'URSS et les ont obligé à ne
plus lancer de générateurs nucléaires dans l'espace, même
pas pour fournir quelques modestes watts à des sondes
planétaires (c'en était devenu bêtement excessif). Certain
véhicules spatiaux ont réussi tout de même à passer
discrètement outre, comme les sondes Voyager US en
1980 et le Sojourner Martien US en 1998. Il faudra bien
entendu que cette interdiction s'assouplisse dans un futur
proche si l'on veut mettre en oeuvre des puissances plus
importantes que ce que nous pouvons l'espérer d'un idéal
moteur thermique à carburant chimique. Là aussi une
progression significative du mûrissement intellectuel de
tous devra être atteint en matière d'utilisation des forces
nucléaires sur terre, en général, avant de revoir cette
interdiction (à la fin de ce siècle nous réalisons combien étaient
stupides, prétentieux, et surtout irresponsables les "lobbies" qui
animèrent le développement du nucléaire militaire et civil dans les
pays industrialisés). Nous pouvons espérer qu'avec l'apport
du nucléaire nous pourrons envisager de chauffer
brutalement des gaz plus efficaces et atteindre des
vitesses d'éjection bien supérieure à celle des moteurs
classiques des fusées Energia et des shuttle US.
Maquette du moteur nucléaire Nerva, ici le modèle XE, 1961
(Photo US Atomic Energy Commission 1970)
Test d'un moteur fusée atomique Kiwi-A-Prime au Nevada USA. (Doc AEC 1964)
La recherche en matière de moteurs dit : Electrique,
se poursuit modestement, il faut le dire, tant les petites
énergies misent en jeu n'aboutissent qu'à des poussées
négligeables pour le moment (comme la sonde US Deep
Space , le satellite Artemis, la sonde SMART-1 européens). En
2004 le projet américain JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter)
mettra enfin en oeuvre un petit réacteur nucléaire pour
alimenter un gros moteur ionique. Est-ce la reprise ?
Les progrès en matière de fusion nucléaire sont
littéralement au point mort en cette fin de XX ème siècle,
on est très loin de l'euphorie des années cinquante avec
les premiersTokamac et leur million de degrés Celsius
atteint dans le confinement des plasmas les mieux
choisis (des regroupements de recherche comme en Europe le
Joint European Torus de 1982 ou ITER en 2006, ne sont sans doute
pas la meilleure méthode pour avancer rapidement dans ce domaine vital).
Des projets guère meilleurs que les moteurs électriques,
sont en discussions, nous devrions même dire en longue
discussion ; nous faisons allusion aux voiles solaires qui
comme celles de nos voiliers sur mer qui puisent leur
énergie dans le vent aérien, utiliseraient ici le vent solaire
comme poussée sur de grande surfaces. Mais souvenez
vous que le déploiement de vastes structures mécaniques
dans l'espace en apesanteur est loin d'être fiable pour le
moment (expérience sur Mir peu concluantes, et étirement de câbles
par la navette US guère mieux réussis).
Module Priroda de Mir, avec son antenne
radar déployée laborieusement.
(Doc X, 1999)
Revenons donc, en ce début de XXI ème siècle, à notre
bonne vieille recette de cuisine, la chimie.
Nous vous ferons grâce des fusées Congreve du XVIII ème
siècle dont la portée était pourtant déjà de 2000 mètres pour
une masse de dix kilogrammes et qui servirent surtout aux
Anglais (sous les ordres de l'Amiral Sidney) à anéantir la ville
de Copenhague entre 1801 et 1805. Tous ces types d'engins
étaient propulsés par la réaction de la poudre noire, un
carburant solide mais très instable et donc dangereux pour le
fabriquant. Après une éclipse d'un siècle due certainement
au perfectionnement du canon, on retrouve la fusée avec son
chargement en carburant solide plus stable (poudre composite
à double base) nitrocellulose et nitroglycérine plus quelques
stabilisants et plastifiants. Mais c'est avec les travaux pratiques
de l'Américain Goddard (1930) sur les carburants liquides pour
fusée que l'élan sera redonné. Bien entendu nous ne pouvons
passer sous silence les travaux théoriques du Russe Tsiolkovski
en 1900. Ce sera donc sur ces bases que l'équipe du Dr W.
Domberger avec le "futur célèbre" Wernher Von Braun que
vont reprendre les études sur les fusées à carburant liquide
(1933). Alimenté en oxygène comme comburant et en alcool
comme carburant les premiers moteurs dérivèrent vers
l'emploi plus aisé de l'acide nitrique comme comburant et
les hydrocarbures pour carburant. Le résultat spectaculaire
en fut malheureusement la V2 d'une portée de 300 Km avec
une charge explosive de 850 Kg et une bonne précision
pour l'époque. C'est aussi avec la même équipe que fut
testé le moteur à carburant solide Rheinbote d'une portée
de 250 km mais avec une charge militaire plus modeste
de 50 Kg.
Nous allons décrire les grandes étapes du développement
de la propulsion des fusées en partant d'un standard, bien
connu, le X 405 de General Electric, il nous servira de modèle
référant. Le moteur du premier étage du vecteur Vanguard de
1957 fit grincer bien des dents aux Occidentaux, mais il sera
pour nous un bon exemple. Ce moteur dérivé de celui de la
fusée sonde à carburant liquide Martin Viking, a subit de très
profondes modifications qui l'on rendu peu fiable. Il est
pourtant un bon exemple des performances moteur de son
temps. Mais avant d'entrer dans cette Saga nous vous rappelons
qu'un moteur fusée se distingue par plusieurs paramètres.
Le type de carburant (liquide ou solide).
Le type de combustion (hypergolique où pas).
Le type d'alimentation (par pompe ou par pressurisation).
L'impulsion spécifique.
La poussée en tonnes ou en Newton.
Le type du cycle de combustion : flux intégré ou dérivé.
Le guidage (gouvernes, vecteur poussée, verniers).
La durée de combustion.
Voilà quelques éléments qui pourront apparaître dans notre brève
description de l'évolution de nos moteurs à combustion chimique
chaque fois qu'ils seront disponibles.
Fusée Viking US propulsée par un General Electric X-405
(Doc General Electric USA 1960)
Moteur General Electric X-405
de la fusée sonde US Viking
Le moteur du premier étage de la Vanguard est un General Electric
le X-405 qui brûle un mélange Oxygène et RP-1 (peroxyde d'hydrogène
+ permanganate en solution). Il développe une poussée de 12250 kg
pendant 150 secondes. Il fonctionne grâce à deux pompes
d'alimentation entraînées par un générateur de gaz produit par la
décomposition du peroxyde d'hydrogène. Le pilotage de la fusée
est assuré par un montage à la cardan de ce moteur manoeuvré
par des vérins eux mêmes conduits par des accéléromètres et un
chronomètre placés sur une plate-forme stabilisée par inertie. Le
roulis est contrôlé par prélèvement du gaz des turbo-pompes vers
des tuyères orientables. Un automate déroule les séquences de
guidage pour la mission.
Plateforme à inertie de la fusée Atlas. Notez les jeux
de cardans et les détecteurs de mouvements.
(Photo Honeywell Inc 1971).
Le second étage brûle un mélange d'acide nitrique comme
comburant et du diméthylhydrazine comme carburant. Les fluides
sont poussés dans la chambre de combustion par pressurisation
des réservoirs à partir d'hélium sous haute pression.
Le troisième étage est du type à combustible solide classique.
Comme préconisé par Tsiolkovski le meilleur mélange reste
l'oxygène et l'hydrogène. Très compliqué à mettre en oeuvre,
délicat à mélanger, difficile à stocker car l'hydrogène bout à
-253 degrés Celsius et même à cette température son volume
est très supérieur à celui de l'oxygène, qui lui, bout à -160
degrés Celsius. Ce moteur est un casse tête pour tous les
mécaniciens qui doivent assurer le bon fonctionnement des
vannes et autres régulateurs dans lesquels les fluides passent
à ces si basses températures. Finalement les Américains
réussiront les premiers à maîtriser ce type de moteur qui
équipera en second étage la fusée Atlas dans sa version
Centaur pour le profit de grandes missions de la NASA et
des militaires. C'est le 27 novembre 1963 que le premier tir
de l'Atlas Centaur est réussit avec l'accélération de la sonde
Surveyor sur une route Lunaire. Les moteurs du second étage
sont les célèbres RL-10 de Pratt et Whitney développant une
poussée unitaire de 6.5 tonnes.
Premier moteur cryotechnique le RL-10 de Pratt et Whitney
(Photo P&W Aircraft UAC 1969)
L'autre grand progrès est le fait des Soviétiques avec la mise
en oeuvre d'un moteur très astucieux, le RD-253 qui équipe,
en grappe de six, le premier étage de la fusée UR-500
(150 tonnes de poussée unitaire) et qui prendra le nom de Proton.
Il s'agit ici d'intégrer le flux de gaz issu des turbines qui
alimentent les pompes des moteurs, au flux de gaz des
moteurs lui même. Il ne s'agit pas à proprement parler de
"post combustion" comme pour les réacteurs d'avions, mais
cela y fait un peu penser. On parlera ici de moteur à flux
intégré par opposition aux moteurs habituels à flux dérivé
où le flux de gaz des turbines est rejeté vers l'extérieur de
la fusée sans participer à la propulsion.
A gauche moteur à flux dérivé classique (RD-107),
à droite moteur à flux intégré (RD-253).
(Dessin d'un auteur inconnu 1980)
Le premier tir réussit de ce moteur aura lieu le 16 juillet 1965
lors du lancement du satellite Proton qui donnera son nom à
ce type de fusée par la suite. Il faut noter que cette fusée ne
sera jamais utilisée pour des lancements d'humain à cause
de la très haute toxicité de ses gaz de combustion (à l'exception
des projets de véhicules spatiaux habités en vol suborbitaux lunaire)
UDMH-N2-O4.
En matière de moteurs, c'est la célèbre fusée lunaire
Américaine Saturn V qui alignera les plus populaires dans
le domaine des grandes puissances: Les F1 en grappe de
cinq, construit par la société Rocketdyne (ancien département
propulsion de la North American Aviation) développeront une
poussée unitaire de 650 tonnes avec une architecture très
classique, flux dérivé, avec comme carburant le pétrole, et
comburant l'oxygène liquide. On trouvera sur cette fusée
des moteurs cryogéniques (cryotechnique) sur les étages
supérieurs de la fusée.
Moteur F1 qui monté en grappe de 5 formera le
groupe propulseur du premier étage de la fusée
Saturn-V du programme Apollo Américain.
(Photo Rocketdyne/NASA 1968)
Il faudra attendre les années 1980 pour voir un brillant
mélange de propulsion inauguré aux USA. Les propulseurs
de la navettes Américaine seront conçus à partir de deux
propulseurs (les SRM de la société Thiokol) à carburant solide
segmenté de très grande dimension, avec une poussée
unitaire de 1500 tonnes, accolés à un réservoir de carburant
cryogénique qui alimente les trois moteurs à flux intégré de
l'orbiteur, les SSME de 170 tonnes de poussée unitaire.
Ces derniers moteurs adoptent les techniques Américaines
cryotechnique et Ruses à flux intégré.
Moteur cryotechnique à flux intégré Américain qui
équipe le groupe propulseur de l'orbiteur du STS.
(Photo Rocketdyne/NASA 1978)
Le premier tir réussit de la navette US Colombia aura
lieu le 12 avril 1981.
Le record pour ce siècle restera le complexe Energia
soviétique, qui sera construit à partir de moteurs cryogéniques
en grappe fonctionnant en flux intégré. Le corps central et le
second étage seront propulsés par l'hydrogène et l'oxygène
liquides. Les quatre boosters seront eux constitués de la
motorisation classique de la fusée Zénith (moteurs à flux dérivé
alimentés en LOX et Kérosène). Avec 4000 tonnes de poussée
nous aurons l'ultime vecteur du XX ème siècle. Cette fusée
sera testée en 1986 et elle participera au lancement de la
navette soviétique Bourane (le 15 novembre 1988).
Fusée Russe Energia portant le STS Bourane.
(Doc de l'auteur)
Pour faciliter la mise en oeuvre lors des préparatifs au tir
d'une fusée, surtout si la périodicité des lancements est
courte, il va falloir optimiser et même automatiser les tâches
les plus délicates. Par exemple les soviétiques ont robotisé
la phase de lancement de leur nouvelle fusée Zenith (1985)
depuis son hangar d'assemblage jusqu'à son lancement.
Processus automatisé de lancement de la fusée Russe
Zenith . (Photo Novosti 1990)
Cette fusée très moderne est maintenant construite par
l'Ukraine indépendante (1992), et elle est le lanceur retenu
pour la nouvelle base de lancement offshore Odyssey près
de l'Australie (Sea Launch). Le procédé de mise en oeuvre
automatique joue là son plein rôle. La fusée Zenith SL-16,
est constituée d'un premier étage avec moteur RD-170 de
V.Glouchko, à 4 chambres de combustion d'une poussée
totale 740 tonnes au sol et 810 tonnes dans le vide (à flux
intégré). Le second étage est poussé par un moteur mono-
chambre de 85 tonnes de poussée auquel on ajoute en
parallèle les moteurs verniers qui sont en fait les moteurs
du 3 ème étage du lanceur russe Cyclone. Ils fournissent
une poussée de 80 tonnes. Les carburant-comburant sont
les classiques kérosène et oxygène liquide (LOX). On peut,
à la demande, ajouter un troisième étage de propulsion.
La technologie de ces derniers moteurs est à flux dérivé.
Le plus inattendu développement à la fin du XX ème siècle
restera la motorisation de la fusée américaine Atlas (ex ICBM
de 1960) par un duo de moteurs russes, les RD-180, issus
du lanceur soviétique Zénith et de son quadri propulseur à
flux intégré RD-170-171 (Atlas III).
Départ au Cap Canveral d'une fusée Atlas-IIIa
propulsée par des moteurs Russes RD-180.
(Photo EutelSat, 2000)
Anciens moteurs duvecteur ICBM Atlas US. (Doc USIS 1961)
Le moteur fusée propulsé par un chauffage atomique a déjà
fait l'objet de tests réels aux USA et en URSS (TU-95-LAL), mais
il a été abandonné pas tant pour des raisons de sécurité, mais
bien plus par des manques de crédits, eux même initiés, il est
vrait, par une prudente réserve sur ce mode de réaction, enfin
par les progrés des moteurs chimiques classiques.
Les Américains testeront au sol le moteur du projet Rover
sous sa dénomination Kiwi B-4E le 28 août 1964 avec succés.
Vol d'un NB-36 de l'USAF avec un réacteur
nucléaire actif embarqué dans sa soute.
(Photo US Atomic Energy Commission 1972)
Dans le proche avenir nous aurons du mal à imaginer
mieux que la propulsion par réaction à base de fusion
thermonucléaire. Toute manipulation de "graviton" étant
pour le moment de la pure science fiction (stricto sensus).
Les moteurs électriques, quant à eux, sont déjà utilisés
comme propulseurs d'appoint sur certain satellites pour
assurer de lents contrôles d'attitudes, il s'agit de ioniser
des gaz et de les accélérer par champs électrique pour
produire de la poussée, mais de quelques grammes ou
dizaines de grammes à la fin du XX ème siècle. Ils ont
vu le jour en théorie dans les années trente, et les premières
applications se rencontrent au début des années soixante
aux USA (systèmes arcjets de Avco ou Gianini) et un premier
exemplaire a été satellisé fin soixante par la NASA.
Réglages, dans une chambre à vide, d'un moteur
ionique aux USA. (Photo Republic Aviation)
Un projet soviétique des années quatre vingt: "Ajax",
constitué par un premier étage récupérable utilisant une
audacieuse idée de propulsion ionique de type push-pull
laissera encore rêveur les occidentaux en 2001 !
Au début (2004) une sonde européenne SMART-1 en
partance pour la Lune a utilisé uniquement la propulsion
ionique avec succès pour atteindre le domaine lunaire.
Dans ce dernier cas il ne faut pas être trop pressé !
Pour envisager le remplacement des lourds premiers
étages de nos fusées un regain d'intêret se fait sentir
pour les statoréacteurs dits ramjet ou scramjet. Un
projet de la NASA voit le jour en 2004 avec un essai
de prototype sans pilote le X-43 A2 qui vole pendant
une dizaine de secondes à Mach 10 (17 novembre 2004).
Le prototype d'avion à statoréacteur X-43A avant
son premier vol à Edward. (Photo NASA 1999)
Il faut noter que pour le moment le moyen le plus
économique que nous avons à notre disposition pour
donner de l'accélération à nos véhicules spatiaux est la
gravité. Celle de la Terre 9.81 ms2 a déjà servit pour la
sonde Galileo de l'ESA (European Space Agency), et bien
entendu les célèbres sondes du "grand tour" les Voyager
lancées par l'Amérique au milieu des années soixante
dix. Elles ont utilisé la gravité jovienne (Jupiter) pour
s'accélérer vers Saturne, Uranus et Neptune. Le tremplin
dit gravitationnel est notre plus puissant moteur naturel, il
nous reste à utiliser le soleil et son énorme gravité
pour battre des records dès le début du XXI ème siècle.
En attendant ces lendemains enchanteurs d'une
propulsion à si bon compte, Boeing-Rocketdyne étudie
d'ultimes moteurs à carburant liquide classiques dont
voici un exemplaire de test au sol (2005).
Nouveau moteur en étude chez Boeing-Rocketdyne en 2005
(Photo Boeing 2004)
Nous passerons bien vite sur le principe des voiles solaires
qui à la mi 2006 accumulent échec et déception avec régularité.
Les moteurs fusées modernes du XXI eme siècle commencent
à équiper des vecteurs comme par exemple le RS-68 Américain
de Rocketdyne qui propulse les fusées Delta IV de Boeing.
Le moteur fusée de l'avion North American X-15 le XLR-99 de 30 tonnes de poussée
réglable de 50% à 100%. (Doc Rocketdyne 2000)
Le LR-97 qui équipe le lanceur Titan-II
Le moteur Américain réalumable en vol spatial Agena qui équipe en dernier
étage manoeuvrant les satellites militaires US comme les Discovery (1960)
Moteur H1 des missiles IRBM Américains Thor de Douglas et
Jupiter de Lockeed au début des années soixante (Doc Douglas)
Lancement de deux missiles de champ de bataille SRBM Honest-John de
'US-Army. Ils sont propulsés par un moteur à carburant solide (Doc X).
Moteur atomique Américain des années
soixante destinés aussi bien aux sous
marins stratégiques qu'à un propulseur
avion ou fusée (Doc AIEA 1970)
Groupement de 8 moteurs Rocketdyne sur le premier
étage de la fusée Saturn-1A qui permettra de tester
le matériel Apollo de 1965 à 1973 (Doc NASA 1966)
Le groupe moto-propulseur fusée de la
Saturn-V pour les vols lunaires Apollo
(Doc Rocketdyne 1970)
Le Dr Wernher von Braun donne une idée des dimensions
des moteurs F1 du S1C de la Saturn-V de 1967. (Doc Boeing)
Le groupe moteur du premier étage de la fusée Lunaire Russe N-1.
Il est à noter la différence fondamentale avec le groupe moteur
de la fusée lunaire Américaine Saturn-V plus haut. (Doc RKA)
La fusée lunaire Russe N-1 prète à un lancement expérimental
en 1969 et qui se soldera par un échec. (Doc RKA 2004)
Test au sol chez Tyokol USA du moteur SRB à carburant
solide qui sert par deux de boosteur des navettes STS US.
(Doc Tyokol 2000)
Moteur SSME qui équipe (par trois) l'orbiteur Américain
STS. C'est un moteur cryotecnique à flux intégré.
(Doc NASA, ? )
Test au sol d'un moteur SSME destiné à une
navette Américaine. (Doc Being Rocketdyne)
Bloc motopropulseur fusée des navettes US.
Trois SSME de Boeing Rocketdyne. (Doc NASA)
Brochette de moteurs de type cryotechnique (Doc X)
Le complexe Russe Energia, 4 * RD-180 cryotechniques au
au centre et 4*4 moteurs de la fusée Zenit sur les côtés
Le moteur Russe RD-180 que l'on retrouve sur des
fusées civiles Est Ouest en 2006. (Doc X)
Moteur fusée Russe RD-120 d'Energomash
C'est le moteur du second étge de la fusée
Zenit (Doc musée Kaminski 2000)
Ce petit moteur Russe NK-15
équipait le projet de fusée
lunaire N1 sur son premier
étage. Il est réallumable en vol
(Doc Kuznetsov Joint Stock Company)
Le moteur Russe de tous les succés
le RD-107 qui a lancé le premier ICBM
en 1957, Spoutnik-1, et qui vole encore
sur les fusées Soyouz-Zemiorka en 2006.
(Doc X)
Moteur Russe RD-253, c'est le moteur du lanceur
Proton sur son premier étage. Il s'agit d'un moteur
à flux intégré. (Doc NPO Energomash 2002)
L'arrengement Russe du RD-107 sur un lanceur Soyouz-Zemiorka 1957-2006.
(Doc RKA 2002)
Le moteur du succés Européen
SEP Viking sur Ariane - 1
(Doc CNES 1989)
La suite du succés Européen avec le moteur Vulcain à flux dérivé sur Ariane
(Doc ESA Ariane Espace 2005)
Le moteur Européen HM-7A
sur lanceur Ariane 1995
Le cryotechnique Européen HM-7B
sur Ariane V ECA (Doc SNECMA 2006)
Fonctionnement Viking d'Ariane-1
(Doc SEP)
Fonctionnement Vulcain d'Ariane-V
(Doc SNECMA)
Missile SRBM du III eme Reich, V-2 de 350 km de portée, 850 kg de charge.
L'Europe des moteurs :
VIKING
VULCAIN
VOLGA
VESCO
Quelques règles de bonne conduite
Les moteurs présentés au dessus sont essentiellement
à carburant liquide, nous rédigerons plus loin sur
les moteurs à carburant solide et peut-être même
mixte. Comme déjà dit la poussée d'un moteur aussi
bien au sol que dans le vide est un des deux critères
de base avec la durée de fonctionnement.
La formule de base simple est : F = D * Ve
Où F sera la force que l'on convertira en poussée et
que l'on pourra exprimer en Newton et même DécaNewton
ou en kilogrammes et même en tonnes (ces deux dernières
ne sont plus des unités officielles).
D sera le débit du mélange réactif au sortir de la
tuyère que l'on exprime en kg/s.
Ve sera la vitesse de sortie du gaz de la réaction
au sortir de la tuyère que l'on exprime en m/s.
En général D se mesure souvent en tonne par seconde
dans une tuyère on trouve souvant des débits de 1 t/s
et Ve en plusieurs milliers de mètres seconde ; en
général on rencontre des vitesses de 2500 m/s.
Dans cet exemple D*Ve soit 1000 kg/s * 2500 m/s nous
donne une poussée de 250 tonnes, "un classique".
Un des meilleurs mélange, peu aisé à maîtriser, est
l'hydrogène et l'oxygène. Le plus énergétique est
le mélange fluor plus aluminium ou l'ozone plus
aluminium mais ils sont tous deux trés difficile à
manipuler et trés toxiques. Un bon exemple, isolé,
de moteur au rendement exceptionnel est celui du
petit moteur Russe RD-301 de 10 t de poussée avec
une Ve de 3928 m/s pouvant fonctionner 750 s (1961)
il fonctionnait avec le couple de fluor, amoniaque.
Ce petit moteur, testé au sol, n'a jamais été monté
sur une fusée opérationnelle.
La maîtrise du couple cryotechnique hydrogène oxygène
(RL-10 USA 27 nov 1963) reste le plus populaire, même au
début du XXI eme siècle avec une Ve de 4200 m/s.
Un paramètre qui évoque bien la qualité d'un moteur
fusée est l'impulsion spécifique. Ce paramètre
s'exprime en temps (seconde) et se comprend comme
étant la durée de fonctionnement d'un hypothétique
moteur fournissant une poussée de 1 kg avec 1 kg du
mélange (carburant comburant). Cette mesure se note
Is et elle vaut Ve/g. Par exemple pour une Ve de
2500 m/s nous aurons une Is de 255 s.
Quant à la vitesse en fin de combustion elle se
résoud par la formule : Vf = Ve log_n (Mi / Mf)
avec Vf = Vitesse finale, Ve = Vitesse d'éjection,
log_n = Logarithme Népérien, Mi = masse initiale du
lanceur, Mf = masse finale du lanceur. Par exemple
avec une Ve de 2500 ms, une masse initiale de 500 t,
et une masse au final de 10 t nous avons :
2500 * log_n (500/10) = 9800 ms.
C'est comme ça que sont construite, par exemple, les
fusées lunaires. On connait le nombre total de m/s à
fournir du départ de la Terre jusqu'au retour sur Terre
avec le poser sélène ; il ne reste plus qu'à fournir
les moteurs et les carburant et comburant pour obtenir
cette vitesse. Les fusées lunaires Proton, Saturn, et
N1 ont été construites sur une telle base.
Les deux grands principes d'alimentation en carburant
et comburant des moteurs fusée (Doc Larousse 1964)
Attention le principe fondamental est celui de la
conservation de la quantité de mouvement il se note
M * V où M = masse et V = la vitesse ; on doit en
déduire que si la réaction pousse les gazs hors de la
tuyère à une certaine énergie la même réaction pousse
le moteur fusée dans l'autre sens avec la même énergie.
Est-ce à dire que la fusée s'éloigne des gazs éjectés
à la même vitesse qu'eux ?
Non, car la masse de la fusée n'est pas la même que celle
du jet de gaz. Par exemple si un moteur éjecte 1 kg /s
à la vitesse de 2000 m/s ce moteur poussera la fusée
1000 g * 200000 cm/s, soit une force de 200 kg.
Si la fusée à une masse de 180 kg elle décollera trés
lentement dans le premier instant puis accélèrera en
s'allégeant de son carburant et comburant.