La propulsion spatiale

Comment se déplacer dans l’espace ? Cette question peut sembler simple en apparence mais devient étonnamment plus compliquée lorsque l’on se penche dessus. Konstantin Tsiolkovsky, le père de la mécanique spatiale, théorisait déjà dans son ouvrage The exploration of Cosmic Space by Means of Reactions Devices (1903) l’usage de méthode plutôt inhabituelle que nous allons décrire dans cet article. Pourquoi ne pouvons-nous pas, tout simplement, utiliser les moyens de propulsions que nous connaissons et qui marchent sur terre ? Si la propulsion automobile ou aéronautique fonctionne si bien sur terre et dans les airs, c’est parce que nous les avons développées grâce aux caractéristiques des milieux dans lesquels ces propulsions fonctionnent. Une voiture roule grâce à la friction entre les pneus et la route, un avion vole grâce à la portance créée par ses ailes avec l’air. Or dans l’espace, il n’y a ni friction, ni air ou autre fluide… On se retrouve donc sans moyen de propulsion et donc à errer dans l’espace sans pouvoir se déplacer. Heureusement, une loi de physique vient nous aider à y voir plus clair : Le principe d’action-réaction. En effet, pour toute force appliquée à un objet, il existe une réciproque qui lui est égale en valeur mais opposée en sens. On peut retrouver ce phénomène à tous les niveaux, premièrement avec la gravitation, par exemple : le Soleil attire la Terre de la même manière que la Terre attire le Soleil. Pour visualiser ce phénomène, prenons un enfant sur une patinoire. Il tient dans sa main une pierre plutôt massive qu’il lance de toute ses forces. Si l’on reproduit l’expérience dans la vraie vie, on verra l’enfant se déplacer vers l’arrière sans qu’il ait initié de mouvement. La force appliquée à la pierre se transmet, par réaction, à l’enfant, qui recule. Ainsi, avec un assez gros stock de pierre, nous pouvons nous déplacer dans l’espace ! Plus sérieusement, avec une explosion contrôlée, nous pouvons éjecter de la matière et ainsi gagner de la vitesse pour nous déplacer.


Principe d’action réaction appliqué : l’enfant jette la pierre et donc impose une force d’action (1) qui implique une force de réaction opposée à celle de l’enfant (2).


C’est dans les années 40 que les scientifiques se lancent dans une course à la propulsion. D’abord imaginée à des fins militaires, mais les motivations tournent vite vers l’idée d’envoyer le premier Homme dans l’espace. Ils testent donc toutes sortes de mélange, parfois surprenants et improbables, allant de produits chimiques raffinées, comme l’hydrazine, jusqu’à carrément remplir les réservoirs de schnaps, un alcool Allemand. Au fil de ces nombreuses années d’expériences et de recherches, les scientifiques classent ces ergols ou carburants dans différentes catégories. La plus intéressante d’entre elles concerne les ergols hypergoliques. Sous ce nom compliqué se cache un phénomène très intéressant : lorsqu’on mélange deux ergols hypergoliques, on observe une combustion instantanée, le mélange s’enflamme directement au contact entre les deux produits chimiques. Cette combustion instantanée est extrêmement pratique car elle ne requiert aucune source de chaleur externe pour engendrer la combustion. Malheureusement, les carburants hypergoliques sont généralement très difficiles à manier et difficile à synthétiser. Les couples d’ergols les plus utilisés dans le spatial sont actuellement : L’hydrazine - peroxyde d'azote, monométhylhydrazine - acide nitrique fumant rouge inhibé (IRFNA).



Schéma du fonctionnement d’un moteur de fusée via propulsion chimiques : Ici les ergols en jeu sont l’hydrogène liquide et l’oxygène liquide. (Image venant de https://commons.wikimedia.org)


Nombreux sont les designs de moteurs de fusées : De tuyère simple au cycle fermé de combustion, en passant par le cycle de combustion étagé. Le moteur-fusée est toujours composé d’au moins quatre composants.

Dans un premier temps, il y a le couple d’Ergol, qui est en fait acheminé grâce au système pompe/turbine, et cela dans le but d’être injecté dans le dernier élément : la chambre de combustion. Enfin, les gaz produits sont éjectés via la tuyère, elle va permettre de récupérer la pression exercée par les gaz à haute vitesse et « pousser » la fusée vers le haut. Le problème c’est qu’une fusée, ça consomme beaucoup ! Tout le carburant embarqué est brulé pendant les trois premières minutes du vol, c’est-à-dire environ 100 tonnes de carburant en moyenne. Pour que la turbine pompe cette quantité astronomique de carburant, elle doit tourner à un rythme effréné et souvent, initier ce mouvement de rotation est très gourmand en énergie. C’est pour cela que l’on brûle une partie des Ergols pour entrainer la turbine qui va apporter la quantité nécessaire de carburant dans la chambre de combustion. Il existe un nombre conséquent de limitations : la pression dans la chambre de combustion, la perte de carburant via la précombustion pour la turbine, la chaleur produite par la réaction, la bonne proportion de chaque ergol dans la réaction, leur mélange au sein de la chambre de combustion etc. Tous ces problèmes sont, au fils des innovations, peu à peu balayés et contournés.


En résumé, pour nous propulser dans l’espace on utilise le principe d’action-réaction. On mélange deux ergols, des carburants pour fusées, pour les faire réagir via une combustion qui va éjecter des gaz à hautes pression. Tout cela se passe dans le moteur-fusée qui est composé d’une ou plusieurs pompes/turbines, d’une chambre de combustion et d’une tuyère.

Depuis les débuts de l’exploration spatiale, les chercheurs ont balayé la majorité des techniques de propulsion spatiale chimique. De nos jours, nous cherchons à perfectionner ces méthodes, mais elles sont limitées par la capacité énergétique des ergols qui n’est pas infinie. On se dirige donc vers des propulsions moins conventionnelles mais qui semblent prometteuses. Celles qui font le plus parler d’elles sont la propulsion nucléaire et la propulsion par voile solaire. Des articles leurs sont dédiés et je vous redirige vers ceux-ci pour plus d’information. D’autres projets sont beaucoup plus exotiques, et la plupart ne verront pas le jour probablement avant des décennies.


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