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fusée 1 PRÉSENTATION fusée, engin à réaction, propulsé par l'éjection de gaz engendrés dans une chambre à combustion (voir Propulsion à réaction) ; seul engin utilisable pour les vols dans l'espace.

Publié le 26/04/2013

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fusée 1 PRÉSENTATION fusée, engin à réaction, propulsé par l'éjection de gaz engendrés dans une chambre à combustion (voir Propulsion à réaction) ; seul engin utilisable pour les vols dans l'espace. Grâce à l'action conjuguée de ses ergols, substances chimiques constituant à la fois carburant et comburant, une fusée développe sa poussée quel que soit l'environnement dans lequel elle évolue, contrairement à d'autres types d'engins à réaction qui doivent utiliser l'oxygène contenu dans l'atmosphère pour brûler le carburant qu'ils transportent. La fusée se propulse de manière totalement autonome. La poussée qui propulse la fusée obéit à la troisième loi de la mécanique de Newton, le principe de l'action et de la réaction (voir Mécanique) : pour chaque action (force), il existe une réaction d'intensité égale, de sens contraire. Pour comprendre le fonctionnement d'un moteur de fusée, on peut le comparer à un réservoir fermé rempli de gaz comprimé : ce gaz exerce une pression constante sur toutes les parois. Si l'on perce un trou à l'extrémité inférieure du réservoir, le gaz peut s'en échapper par le bas ; la pression appliquée contre la paroi supérieure n'est alors plus équilibrée : la pression interne du gaz pousse le réservoir vers le haut, par réaction au jet de gaz qui s'échappe. La poussée totale développée par un moteur-fusée dépend principalement de deux facteurs : la rapidité avec laquelle les gaz en combustion sont éjectés (de 3 à 4 km/s) et la masse de gaz brûlés (en général très élevée, afin d'obtenir une poussée suffisante pour arracher du sol une masse de plusieurs dizaines ou centaines de tonnes). On distingue deux grandes catégories de fusées : les fusées à propergol solide, comme les missiles balistiques intercontinentaux (voir Missiles), et les fusées à propergols liquides, comme le célèbre lanceur américain Saturn V, qui fut utilisé pour envoyer des hommes sur la Lune (voir Espace, exploration de l'). Dans les deux cas, on appelle moteur la chambre à combustion. Dans des fusées à propergols liquides, les deux ergols sont stockés dans des réservoirs séparés, et alimentent le moteur-fusée selon un schéma bien défini. Dans des fusées à propergol solide, le combustible est stocké et brûlé dans le moteur même. Le terme fusée a souvent été utilisé pour décrire à la fois le mécanisme de production de la poussée, et le véhicule utilisant ce mécanisme. Désormais, pour éviter toute confusion, on désigne généralement sous le terme de moteur-fusée le dispositif de propulsion. 2 FUSÉES À PROPERGOL SOLIDE Les premières fusées à propergol solide étaient propulsées par la combustion d'un mélange comprenant les mêmes ingrédients que la poudre à canon noire, employés toutefois dans des proportions différentes. La poudre noire est constituée d'environ 75 p. 100 de salpêtre, 12 p. 100 de soufre, et 13 p. 100 de charbon de bois (ces valeurs représentent la répartition en masse des différents constituants). Pour une fusée, le mélange se compose de 60 p. 100 de salpêtre, 15 p. 100 de soufre et 25 p. 100 de charbon. Cette variante dans les proportions de la composition permet au mélange qui propulse la fusée de brûler moins vite que la traditionnelle poudre à canon. On utilise en fait aujourd'hui des substances ressemblant plutôt à une pâte caoutchouteuse (voir plus loin : Construction). 2.1 Historique Les fusées à poudre ont été inventées par les Chinois au début du deuxième millénaire, l'époque exacte de l'invention demeurant incertaine. La première utilisation a probablement eu lieu en 1232, pendant le siège de Kaifeng, ancienne capitale de la province du Henan : les fusées y furent employées pour mettre le feu à des tentes et à des fortifications en osier qui résistaient aux flèches. Quelques années plus tard, on les utilisa pour des opérations militaires en Europe et en Afrique du Nord, mais à partir du début du XVe siècle, elles servirent essentiellement pour enflammer les gréements des bateaux ennemis pendant les batailles navales. Dès le XVIe siècle, les fusées furent en Europe à la base des feux d'artifice. En 1657 et 1662 sont publiés respectivement l'Autre Monde ou Histoire comique des États et Empires de la Lune et Histoire comique des États et Empires du Soleil, du célèbre écrivain Savinien de Cyrano de Bergerac, deux récits mettant en scène un engin « mû par des feux successifs de salpêtre «, préfiguration lointaine des fusées de l'ère spatiale. En Extrême-Orient, on continuait à se servir des fusées comme armes : à la fin du XVIIIe siècle, l'armée de Tippoo Sahib, dernier sultan de Mysore, disposait d'un régiment de lanceurs de fusées. Fabriquées en bambou, elles avaient une portée de quelques centaines de mètres. Ce régiment de lanceurs de fusées gagna à Seringapatam (en Inde) ses deux premières batailles contre les forces britanniques. À l'annonce de ces défaites en Grande-Bretagne, l'officier britannique William Congreve (1772-1828) décida d'étudier sérieusement l'utilisation des fusées à des fins militaires. En quelques années, il améliora les fusées habituellement employées pour les feux d'artifice, pour en faire des armes de guerre d'une portée de 2 500 à 3 000 m. Ses fusées, d'un poids total de 14 kg, comportaient un caisson métallique contenant une charge incendiaire de 3 kg et une tige de queue stabilisatrice mesurant 4 m. Mises au point en 1804, elles furent utilisées dès l'année suivante : les Anglais attaquèrent en 1805 le port de Boulogne pour neutraliser la flotte de barges que Napoléon avait rassemblée en vue d'une invasion de la Grande-Bretagne ; l'attaque échoua à cause de la tempête mais, en 1806, la seconde tentative anglaise fut couronnée de succès. En 1807, la grande flotte française stationnée dans le port de Copenhague et la ville elle-même furent presque entièrement détruites par une attaque navale où plusieurs milliers de fusées furent lancées. En 1813, la cité libre de Gda?sk dut se rendre sous le feu des fusées britanniques qui détruisaient les réserves de nourriture de la ville. Des unités utilisant les fusées furent également formées au sein des forces terrestres, la plupart d'entre elles ayant réussi leurs actions contre les États-Unis pendant la guerre anglo-américaine de 1812. Les fusées de Congreve furent ainsi utilisées par le navire britannique Erebus pour bombarder Fort McHenry à Baltimore, dans le Maryland. Ces mêmes fusées furent employées pendant la bataille de Waterloo qui vit la défaite de Napoléon. En 1825, presque tous les pays européens avaient copié la fusée de Congreve et avaient formé des brigades de lanceurs de fusées. En 1847, le Britannique William Hale conçut une fusée gyrostabilisée, éliminant de ce fait le poids mort du long stabilisateur arrière. Les brevets de ces fusées furent achetés par les États-Unis, qui en fabriquèrent au cours du conflit américano-mexicain, ainsi que pendant la guerre de Sécession. Cependant, l'utilisation des fusées dans les combats devint moins fréquente après 1850, tandis qu'apparaissaient des canons plus légers, munis d'obus gyrostabilisés plus précis. Les fusées trouvèrent au XIXe siècle une application plus pacifique : le sauvetage en mer. Avant l'ère des navires à vapeur, il était fréquent que des bateaux sombrent dans la tempête près des côtes d'Angleterre et d'Europe du Nord : à l'aide d'une fusée dérivée de celle de Congreve, on lançait depuis le rivage une corde légère en direction du navire en détresse. Ses occupants pouvaient alors être ramenés sur la terre ferme grâce à un système de filins suffisamment solides pour convoyer les hommes à bord de canots de sauvetage ou directement à l'aide de bouées. Dès 1880, on utilisa des fusées-harpons, lancées à partir de petits bateaux, pour chasser les baleines. Mais l'utilisation principale des fusées en mer était la production de signaux. Jusqu'à la fin du XIXe siècle, les fusées furent assez peu employées à des fins militaires. Toutefois, quelques scientifiques de l'époque suggérèrent que les fusées seraient bien adaptées à la propulsion de véhicules destinés à des vols interplanétaires : ce fut notamment le cas de Konstantin Tsiolkovski (1857-1935), un enseignant russe autodidacte qui publia en 1883 l'Espace libre, ouvrage où il affirmait que l'exploration de l'espace se ferait grâce à des engins propulsés par réaction (il évoquera dix ans plus tard la possibilité de placer un satellite artificiel en orbite autour de la Terre). Dans un autre livre édité en 1903, Exploration des espaces cosmiques par des engins à réaction, il s'avéra particulièrement inspiré en tant que théoricien, énonçant pour la première fois les lois de mouvement d'une fusée, dont la formule qui donne la vitesse de la fusée en fonction de la vitesse d'éjection des gaz et de la masse d'ergols consommée. Plus tard, il rédigera une série de mémoires où il exposera ses propres idées en matière de conception de fusées et traitera des principales questions posées par les perspectives alors naissantes de conquête spatiale, proposant même une liste d'innovations technologiques qui ont par la suite trouvé leur application (utilisation de propergols liquides, en particulier le couple hydrogène-oxygène, alimentation de la chambre de combustion au moyen de pompes, forme spéciale des tuyères, stabilisation par gyroscopes, etc.). Consacré en Union soviétique par son élection à l'Académie des Sciences de l'URSS en 1919, Tsiolkovski est aujourd'hui considéré comme l'un des pères fondateurs de l'astronautique. Pendant la Première Guerre mondiale, les fusées furent surtout utilisées pour générer des signaux, mais on les tira aussi (aéroportées par des avions français) sur des ballons d'observation gonflés à l'hydrogène. Lorsque les États-Unis entrèrent dans le conflit en 1917, l'ingénieur et physicien américain Robert Goddard (1882-1945) offrit ses services à l'armée américaine. Des essais préliminaires de fusées très rapides furent menés quelques jours avant la fin de la guerre en novembre 1918. Goddard avait amélioré le dispositif grâce à l'utilisation de poudre sans fumée en remplacement de la traditionnelle poudre noire ; il avait également ajouté une tuyère en forme de double cône convergent-divergent, qui augmentait énormément l'efficacité du moteur-fusée. En 1919, il publiait A Method of Reaching Extreme Altitude, un livre devenu un classique, où il exposait le résultat des études théoriques et des expérimentations qu'il avait menées à propos des fusées. Goddard a participé à la mise au point de fuséessondes capables d'effectuer des mesures dans l'atmosphère à des altitudes trop élevées pour les ballons-sondes. Une vingtaine d'années plus tard, d'autres travaux ont été effectués à partir du concept de petite fusée par l'un des assistants de Goddard, Clarence Hickman : le résultat en fut le bazooka, ou lance-roquettes antichar. Sa caractéristique principale était l'ajout d'une tête à charge creuse, qui le rendait très puissant. Manoeuvré par un seul homme, grâce à un lanceur sans recul que le fantassin porte à l'épaule, le premier bazooka avait une portée efficace de 182 m ; la charge explosive de 220 g permettait de perforer un blindage de char épais de 17 cm. Plus tard, les modifications et améliorations apportées à cette arme (de 59,9 mm de diamètre et plus) lui permirent d'atteindre des portées de 640 m. Après la guerre, le « superbazooka « devint une arme dont le pouvoir de pénétration avait été doublé, et dont la portée dépassait les 700 m. Les États-Unis ont également mis au point des fusées de 113 mm pour l'artillerie, qui pouvaient être tirées à partir de lanceurs multiples, ou portées et mises à feu par des fantassins, ou encore aéroportées (fixées sous les ailes des avions, d'où elles étaient tirées par des lanceurs uniques ou multiples). Leur longueur variait de 76 cm pour les fusées d'artillerie gyrostabilisées -- 4 750 m de portée -- à 1,90 m pour les fusées à empennage (stabilisées par des ailettes), tirées par avion et de très grande précision. Le modèle le plus utilisé en mode aéroporté était le HVAR (High Velocity Aircraft Rocket), un engin de 120 mm de diamètre qui transportait à la vitesse de 410 m/s une tête explosive de 21 kg, couvrant des portées supérieures à 4 570 m. Les scientifiques allemands furent à l'origine de deux types de fusées utilisées pour le bombardement : la Nebelwerfer (150 mm) et la Wurfgerät (209 mm). Malgré son nom qui signifie « lanceur de fumée «, la Nebelwerfer contenait une tête explosive de forte puissance, tandis que la Wurfgerät portait des ogives incendiaires. La Nebelwerfer fut par la suite transformée en une arme air-air très puissante. 2.2 Construction Après la Seconde Guerre mondiale, les fusées à propergol solide ont été utilisées pour différentes applications, et principalement en tant qu'accélérateurs (« boosters «) pour les missiles. Elles comprennent essentiellement la charge utile (tête militaire ou instrumentation scientifique), et le moteur (chambre à combustion, ou moteur) contenant le propergol et la ou les tuyère(s) servant à l'éjection des gaz de combustion. Des ailettes peuvent être utilisées pour stabiliser l'engin pendant son vol. De nos jours, les fusées à propergol solide se regroupent en deux catégories : celles où la charge assure une combustion totale, quasi instantanée, et celle dont la combustion peut être contrôlée pour durer plus longtemps. Un exemple typique de la première catégorie est le HVAR utilisé pendant la Seconde Guerre mondiale, constitué d'un unique barreau de poudre à section cruciforme suspendu au moteur-fusée : cette barre s'enflammait sur toute sa surface, à l'exception de ses deux extrémités, recouvertes de plastique ininflammable (voir Plastiques, matières). La charge de poudre peut aussi prendre la forme d'un tube creux à parois épaisses, qui brûle à la fois sur ses surfaces internes et externes. Pour obtenir des temps de combustion plus élevés, on emploie des chargements qui brûlent perpendiculairement à leur section, ou bien possèdent un canal central par lequel ils brûlent de l'intérieur jusqu'aux parois. Cette dernière méthode permet de réduire l'épaisseur de la paroi métallique externe de la fusée, protégée tout au long de la combustion par le propergol restant. Les charges à propergol solide des engins modernes sont relativement imposantes : ainsi, par exemple, le poids au décollage du missile Trident-II D5 (lancé depuis un sous-marin) atteint déjà quelque 59 t. Sur la fusée Ariane 5, chacun des deux propulseurs auxiliaires à poudre (31 m de hauteur), qui fournissent l'essentiel de la poussée au décollage, a une masse de 270 t -- dont 236,5 de poudre (voir Ariane, programme) : ce sont les plus grands étages à propergol solide jamais construits en Europe. Quant aux deux « boosters « de la navette spatiale américaine, de 45 m de hauteur, ils sont constitués de 11 segments en acier, et pèsent chacun plus de 500 t : ce sont les plus grands jamais construits aux États-Unis. C'est un problème d'étanchéité des joints de ces segments qui fut à l'origine de l'accident de la navette Challenger survenu le 28 janvier 1986 : les vols de navettes furent ensuite suspendus pendant près de trois ans, de nouvelles procédures d'inspection ayant été mises en place afin d'éviter qu'un problème similaire ne soit pas décelé à temps. La fusée à propergol solide présente d'un point de vue militaire des avantages décisifs : le développement d'un missile antibalistique défensif pouvant intercepter des missiles nucléaires impose des temps de réaction très brefs et des accélérations élevées. La fusée à propergol solide est celle qui convient le mieux ; c'est pourquoi le système antibalistique Safeguard a utilisé cette technique pour construire entre autres le Sprint, un missile d'interception de basse altitude (de 24 à 40 km), et le Spartan, un missile antibalistique opérationnel à haute altitude (au-delà de 160 km). Les propergols solides modernes sont constitués de caoutchoucs synthétiques, auxquels on ajoute au cours du processus de fabrication un comburant comme le perchlorate d'ammonium. Les caoutchoucs synthétiques sont de bons carburants et présentent de plus l'avantage d'une certaine flexibilité, qui leur évite de se fissurer s'ils subissent de mauvais traitements. Le mélange caoutchouc synthétique et perchlorate d'ammonium peut être rendu plus performant encore par l'adjonction de poudre métallique (de l'aluminium par exemple). 3 FUSÉES À PROPERGOLS LIQUIDES Le développement de fusées à propergols liquides débuta pendant la période 1920-1930. C'est en effet le 16 mars 1926, à Worcester (dans le Massachusetts), que Robert Goddard lança la première fusée à ergols liquides : elle fonctionna pendant 2,5 s et s'éleva à 12,5 m au-dessus du sol. La première fusée allemande de ce type, construite elle aussi sur une initiative privée, fut lancée cinq ans après, suivie, en 1932, par son homologue soviétique. La première fusée à propergols liquides de grande taille devenue opérationnelle fut l'engin expérimental allemand V2, une arme conçue pendant la Seconde Guerre mondiale sous la direction de l'expert en fusées Wernher von Braun. Le V2 fut lancé pour la première fois le 5 octobre 1942, de la base de Peenemünde sur l'île de Usedom, en Allemagne ; ce redoutable missile, précurseur de ses homologues modernes, était impossible à détruire une fois lancé car, bien que repérable grâce aux radars, il était trop rapide pour être intercepté par les avions et les batteries antiaériennes de l'époque ; il infligea de lourds dégâts à l'Angleterre et à la Belgique : le V2 lancé sur Anvers le 28 novembre 1944 tomba sur un cinéma, causant la mort de 567 personnes ( voir Missiles). 3.1 Construction Dans une fusée à propergols liquides de première génération, la coiffe conique emporte la charge utile, tête militaire ou instruments scientifiques ; la partie qui lui est adjacente contient généralement les instruments de guidage (gyroscope, ou gyrocompas, et accéléromètres, complétés par un ordinateur). Derrière se trouvent les deux principaux réservoirs, l'un contenant le carburant et l'autre le comburant. Dans une petite fusée, carburant et comburant peuvent être injectés dans le moteur en pressurisant les réservoirs avec un gaz inerte. Pour les grandes fusées, cette méthode n'est pas pratique car les réservoirs seraient trop lourds. C'est pourquoi, l'injection sous pression est réalisée par des pompes, placées entre les réservoirs et le moteur de la fusée. Les débits d'ergols requis étant très importants (même le V2 brûlait déjà 127 kg de carburant à la seconde), la pompe est une pompe centrifuge de haute capacité, entraînée par une turbine à gaz : on parle alors de turbopompe. L'ensemble de la turbopompe, de la chambre de combustion et des équipements associés, constitue le moteur d'une fusée à propergols liquides. L'avènement des vols spatiaux habités a marqué l'apparition d'une seconde génération de fusées, les charges utiles étant alors un vaisseau qui emporte des hommes : côté américain se succédèrent les capsules Mercury, Gemini et Apollo ( voir Espace, exploration de l') ; puis vint la navette spatiale, qui est encore de nos jours le véhicule le plus sophistiqué, disposant de trois moteurs principaux (alimentés par un réservoir extérieur cylindrique long de 47 m, contenant environ 100 t d'hydrogène et 600 t d'oxygène liquides), de deux moteurs secondaires (utilisés notamment pour les manoeuvres de désorbitation), et qui décolle grâce à la poussée de ses deux propulseurs additionnels à poudre, largués après 2 min 10 s de vol et récupérés grâce aux parachutes qui freinent leur descente. 3.2 Propergols liquides Bien que la plupart des pionniers dans le domaine de la fusée à propergols liquides aient utilisé l'essence comme carburant, l'alcool éthylique ou le kérosène raffiné furent par la suite largement employés. L'éthanol ( voir Alcools), utilisé dans les fusées V2, Viking et Redstone, brûle grâce à de l'oxygène liquide qui présente cependant l'inconvénient d'un point d'ébullition si bas que les pertes par évaporation demeurent considérables. Les recherches pour trouver un substitut à l'oxygène liquide ont mené (en partie par hasard) à l'usage d'autres ergols liquides, connus sous le nom d'hypergols : ils consistent généralement en de l'acide nitrique (comburant), associé soit à de l'aniline, soit à de l'hydrazine (carburant). Un hypergol ne nécessite aucune mise à feu, carburant et comburant s'enflammant dès leur mise en contact : c'est une propriété majeure du dérivé de l'hydrazine connu sous le nom de diméthylhydrazine dissymétrique (en abrégé UDMH, de l'anglais Unsymmetrical DiMethylHydrazine), un ergol communément employé en association avec l'oxygène ou le peroxyde d'azote. L'hydrogène liquide est théoriquement le meilleur carburant, mais il est délicat et dangereux à manipuler. Ces problèmes d'utilisation furent néanmoins résolus par les équipes d'ingénieurs qui ont travaillé sur les lanceurs américains Centaur (conçu dans les années 1960 à partir du RL-10 du motoriste aéronautique Pratt & Whitney, premier moteur à ergols cryotechniques, hydrogène et oxygène en l'occurrence) et Saturn V (la fusée géante -- 2 700 t et 110 m de hauteur -- des missions Apollo), et plus tard sur l'actuelle navette spatiale. Le couple hydrogène et oxygène liquides est également à la base de la technologie retenue pour l'étage principal cryotechnique (EPC) de la nouvelle fusée européenne Ariane 5. 3.3 Fusées hybrides Dans une fusée hybride, le carburant -- souvent un matériau plastique -- est solide, et le comburant -- oxygène ou quelquefois acide nitrique -- liquide. Ce dernier est transporté dans un réservoir pressurisé placé au-dessus du carburant, qui est configuré selon une géométrie à canal central qui lui permet de brûler progressivement, la cavité centrale s'étendant vers l'extérieur jusqu'à atteindre les parois du réservoir. Ce système mixte associe les avantages des solides (manipulation plus aisée), et ceux des liquides (entre autres, possibilité de réguler la vitesse de combustion, voire de la stopper complètement en coupant l'arrivée de liquide). L'utilisation des systèmes hybrides est ainsi adaptée à des systèmes de freinage ou de correction de vitesse. Bon nombre de missiles et engins spatiaux sont propulsés par des fusées comportant plusieurs étages, dont certains utilisent des propergols liquides, d'autres des propergols solides. 3.4 Tuyère Les moteurs-fusées, qui évoluent dans des conditions proches de celles du vide, nécessitent des tuyères de grande dimension pour que la vitesse d'éjection des gaz atteigne le seuil supersonique. La tuyère doit être composée d'abord d'une section convergente, allant de la chambre de combustion jusqu'à la portion la plus étroite -- le col, où la vitesse du son est atteinte, puis d'une seconde section, le divergent -- qui forme la partie visible de la tuyère : le diamètre de sortie peut atteindre quatre à cinq fois celui de la chambre de combustion. Le flux rapide (plusieurs km/s) de gaz brûlants, en frottant contre les parois de la tuyère, pose l'épineux problème du transfert de chaleur, surtout si le temps de combustion doit dépasser quelques minutes au lieu de quelques secondes. Ce problème est encore plus critique près du col, où un refroidissement dit régénératif est souvent employé dans les moteurs à propulsion liquide : dans un moteur à oxygène et hydrogène liquides, par exemple, l'hydrogène peut être pompé pour circuler à travers de petites canalisations placées dans les parois de la tuyère, avant de poursuivre son trajet pour aller alimenter la chambre de combustion. Il existe un autre mode de propulsion, envisagé pour des vols vers la Terre et la Lune et des missions vers des planètes éloignées : le moteur-fusée nucléaire. Il serait au moins deux fois plus efficace que le moteur à hydrogène et à oxygène liquides (déjà très performant), comme l'indique la comparaison de leur impulsion spécifique (Isp, l'une des façons de mesurer la puissance d'un moteur-fusée en calculant la poussée fournie par kg de propergol brûlé par seconde) : celle du moteur à hydrogène et à oxygène liquides peut atteindre 450 N, le moteur-fusée nucléaire, tel qu'il était étudié aux États-Unis dans les années 1960-1970, était évalué à 1 100 N. Ce type de moteur utilise de l'hydrogène liquide transformé en gaz et chauffé par un réacteur à fission nucléaire jusqu'à de très hautes températures. L'hydrogène ne brûle pas, traversant simplement la tuyère à pression très élevée et à très grande vitesse. D'autres types de moteurs-fusées évolués sont à l'étude pour d'éventuelles missions spatiales de longue durée, devant traverser des champs gravitationnels faibles. Dans ces conditions, des moteurs à faible poussée pourraient être employés, à condition que la poussée puisse se prolonger pendant un temps suffisamment long, grâce à une utilisation judicieuse des ergols. Parmi ces technologies futuristes, figure le moteur à plasma : il contient un gaz ionisé extrêmement chaud qui peut s'échapper vers l'arrière du moteur à une vitesse très élevée (voir Ionisation) ; le gaz ionisé peut être accéléré par un champ électromagnétique. Autre technologie, le moteur ionique expulse à de très grandes vitesses des atomes ionisés, de Césium par exemple, grâce cette fois à un champ électrostatique (voir Ion). Enfin, le moteur photonique pourrait éjecter des photons (simples particules porteuses d'énergie lumineuse, voir photon) à la vitesse de la lumière. Bien que l'énergie d'un seul photon soit infinitésimale, l'immense quantité de photons éjectés permettrait à ce moteur de fournir de faibles poussées maintenues sur des intervalles de temps suffisamment longs. 3.5 Autres applications des fusées Indépendamment de leur utilisation comme armes, les fusées à poudre se prêtent de nos jours à des usages pacifiques : leur technologie est notamment employée pour les dispositifs permettant aux marins d'envoyer des signaux de détresse, et pour transporter des câbles sur un fleuve au cours de la construction d'un pont. Dans certains cas, des fusées à propergol solide ont pu transporter à très haute altitude des instruments scientifiques utilisés entre autres pour la recherche sur les rayonnements cosmiques (voir Cosmiques, rayons). Il existe également une fusée à propergol solide particulière, la RATO (Rocket-Assisted TakeOff), à laquelle on recourt pour faciliter le décollage d'un avion très lourdement chargé. Des fusées à poudre sont aussi utilisées en balistique, comme cibles pour les essais de missiles ; elles servent également à la propulsion des véhicules-tests utilisés pour la recherche en médecine aérospatiale. Voir aussi Guerre ; Espace, exploration de l' Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.

« légère en direction du navire en détresse.

Ses occupants pouvaient alors être ramenés sur la terre ferme grâce à un système de filins suffisamment solides pour convoyer les hommes à bord de canots de sauvetage ou directement à l’aide de bouées. Dès 1880, on utilisa des fusées-harpons, lancées à partir de petits bateaux, pour chasser les baleines.

Mais l’utilisation principale des fusées en mer était la production de signaux.

Jusqu’à la fin du XIX e siècle, les fusées furent assez peu employées à des fins militaires.

Toutefois, quelques scientifiques de l’époque suggérèrent que les fusées seraient bien adaptées à la propulsion de véhicules destinés à des vols interplanétaires : ce fut notamment le cas de Konstantin Tsiolkovski (1857-1935), un enseignant russe autodidacte qui publia en 1883 l’Espace libre, ouvrage où il affirmait que l’exploration de l’espace se ferait grâce à des engins propulsés par réaction (il évoquera dix ans plus tard la possibilité de placer un satellite artificiel en orbite autour de la Terre).

Dans un autre livre édité en 1903, Exploration des espaces cosmiques par des engins à réaction, il s’avéra particulièrement inspiré en tant que théoricien, énonçant pour la première fois les lois de mouvement d’une fusée, dont la formule qui donne la vitesse de la fusée en fonction de la vitesse d’éjection des gaz et de la masse d’ergols consommée.

Plus tard, il rédigera une série de mémoires où il exposera ses propres idées en matière de conception de fusées et traitera des principales questions posées par les perspectives alors naissantes de conquête spatiale, proposant même une liste d’innovations technologiques qui ont par la suite trouvé leur application (utilisation de propergols liquides, en particulier le couple hydrogène-oxygène, alimentation de la chambre de combustion au moyen de pompes, forme spéciale des tuyères, stabilisation par gyroscopes, etc.).

Consacré en Union soviétique par son élection à l’Académie des Sciences de l’URSS en 1919, Tsiolkovski est aujourd’hui considéré comme l’un des pères fondateurs de l’astronautique. Pendant la Première Guerre mondiale, les fusées furent surtout utilisées pour générer des signaux, mais on les tira aussi (aéroportées par des avions français) sur des ballons d’observation gonflés à l’hydrogène. Lorsque les États-Unis entrèrent dans le conflit en 1917, l’ingénieur et physicien américain Robert Goddard (1882-1945) offrit ses services à l’armée américaine.

Des essais préliminaires de fusées très rapides furent menés quelques jours avant la fin de la guerre en novembre 1918.

Goddard avait amélioré le dispositif grâce à l’utilisation de poudre sans fumée en remplacement de la traditionnelle poudre noire ; il avait également ajouté une tuyère en forme de double cône convergent-divergent, qui augmentait énormément l’efficacité du moteur-fusée. En 1919, il publiait A Method of Reaching Extreme Altitude, un livre devenu un classique, où il exposait le résultat des études théoriques et des expérimentations qu’il avait menées à propos des fusées.

Goddard a participé à la mise au point de fusées- sondes capables d’effectuer des mesures dans l’atmosphère à des altitudes trop élevées pour les ballons-sondes. Une vingtaine d’années plus tard, d’autres travaux ont été effectués à partir du concept de petite fusée par l’un des assistants de Goddard, Clarence Hickman : le résultat en fut le bazooka, ou lance-roquettes antichar.

Sa caractéristique principale était l’ajout d’une tête à charge creuse, qui le rendait très puissant.

Manœuvré par un seul homme, grâce à un lanceur sans recul que le fantassin porte à l’épaule, le premier bazooka avait une portée efficace de 182 m ; la charge explosive de 220 g permettait de perforer un blindage de char épais de 17 cm.

Plus tard, les modifications et améliorations apportées à cette arme (de 59,9 mm de diamètre et plus) lui permirent d’atteindre des portées de 640 m.

Après la guerre, le « superbazooka » devint une arme dont le pouvoir de pénétration avait été doublé, et dont la portée dépassait les 700 m. Les États-Unis ont également mis au point des fusées de 113 mm pour l’artillerie, qui pouvaient être tirées à partir de lanceurs multiples, ou portées et mises à feu par des fantassins, ou encore aéroportées (fixées sous les ailes des avions, d’où elles étaient tirées par des lanceurs uniques ou multiples).

Leur longueur variait de 76 cm pour les fusées d’artillerie gyrostabilisées — 4 750 m de portée — à 1,90 m pour les fusées à empennage (stabilisées par des ailettes), tirées par avion et de très grande précision.

Le modèle le plus utilisé en mode aéroporté était le HVAR (High Velocity Aircraft Rocket), un engin de 120 mm de diamètre qui transportait à la vitesse de 410 m/s une tête explosive de 21 kg, couvrant des portées supérieures à 4 570 m. Les scientifiques allemands furent à l’origine de deux types de fusées utilisées pour le bombardement : la Nebelwerfer (150 mm) et la Wurfgerät (209 mm).

Malgré son nom qui signifie « lanceur de fumée », la Nebelwerfer contenait une tête explosive de forte puissance, tandis que la Wurfgerät portait des ogives incendiaires.

La Nebelwerfer fut par la suite transformée en une arme air-air très puissante. 2. 2 Construction Après la Seconde Guerre mondiale, les fusées à propergol solide ont été utilisées pour différentes applications, et principalement en tant qu’accélérateurs (« boosters ») pour les missiles.

Elles comprennent essentiellement la charge utile (tête militaire ou instrumentation scientifique), et le moteur (chambre à combustion, ou moteur) contenant le propergol et la ou les tuyère(s) servant à l’éjection des gaz de combustion.

Des ailettes peuvent être utilisées pour stabiliser l’engin pendant son vol. De nos jours, les fusées à propergol solide se regroupent en deux catégories : celles où la charge assure une combustion totale, quasi instantanée, et celle dont la combustion peut être contrôlée pour durer plus longtemps.

Un exemple typique de la première catégorie est le HVAR utilisé pendant la Seconde Guerre mondiale, constitué d’un unique barreau de poudre à section cruciforme suspendu au moteur-fusée : cette barre s’enflammait sur toute sa surface, à l’exception de ses deux extrémités, recouvertes de plastique ininflammable ( voir Plastiques, matières).

La charge de poudre peut aussi prendre la forme d’un tube creux à parois épaisses, qui brûle à la fois sur ses surfaces internes et externes. Pour obtenir des temps de combustion plus élevés, on emploie des chargements qui brûlent perpendiculairement à leur section, ou bien possèdent un canal central par lequel ils brûlent de l’intérieur jusqu’aux parois.

Cette dernière méthode permet de réduire l’épaisseur de la paroi métallique externe de la fusée, protégée tout au long de la combustion par le propergol restant. Les charges à propergol solide des engins modernes sont relativement imposantes : ainsi, par exemple, le poids au décollage du missile Trident-II D5 (lancé depuis un sous-marin) atteint déjà quelque 59 t.

Sur la fusée Ariane 5, chacun des deux propulseurs auxiliaires à poudre (31 m de hauteur), qui fournissent l’essentiel de la poussée au décollage, a une masse de 270 t — dont 236,5 de poudre ( voir Ariane, programme) : ce sont les plus grands étages à propergol solide jamais construits en Europe.

Quant aux deux « boosters » de la navette spatiale américaine, de 45 m de hauteur, ils sont constitués de 11 segments en acier, et pèsent chacun plus de 500 t : ce sont les plus grands jamais construits aux États-Unis.

C’est un problème d’étanchéité des joints de ces segments qui fut à l’origine de l’accident de la navette Challenger survenu le 28 janvier 1986 : les vols de navettes furent ensuite suspendus pendant près de trois ans, de nouvelles procédures d’inspection ayant été mises en place afin d’éviter qu’un problème similaire ne soit pas décelé à temps. La fusée à propergol solide présente d’un point de vue militaire des avantages décisifs : le développement d’un missile antibalistique défensif pouvant intercepter des missiles nucléaires impose des temps de réaction très brefs et des accélérations élevées.

La fusée à propergol solide est celle qui convient le mieux ; c’est pourquoi le système antibalistique Safeguard a utilisé cette technique pour construire entre autres le Sprint, un missile d’interception de basse altitude (de 24 à 40 km), et le Spartan, un missile antibalistique opérationnel à haute altitude (au-delà de 160 km). Les propergols solides modernes sont constitués de caoutchoucs synthétiques, auxquels on ajoute au cours du processus de fabrication un comburant comme le perchlorate d’ammonium.

Les caoutchoucs synthétiques sont de bons carburants et présentent de plus l’avantage d’une certaine flexibilité, qui leur évite de se fissurer s’ils subissent de mauvais traitements.

Le mélange caoutchouc synthétique et perchlorate d’ammonium peut être rendu plus performant encore par l’adjonction de. »

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