Comment fonctionnent les fusées : systèmes de propulsion et technologie de lancement expliqués

Chaque lancement orbital, du Falcon 9 levant un équipage aux vols d'essai de Starship, repose sur la même physique fondamentale décrite pour la première fois par Isaac Newton : à chaque action correspond une réaction égale et opposée. Un moteur de fusée brûle du propergol et expulse le gaz chaud résultant par une tuyère à grande vitesse ; le gaz pousse la fusée dans la direction opposée. Selon le Centre de Recherche Glenn de la NASA, cette paire action-réaction existe entre la fusée et ses propres gaz d'échappement, c'est pourquoi les fusées fonctionnent dans le vide de l'espace et n'ont pas besoin d'air ou d'un autre milieu pour se pousser.

La physique : poussée et impulsion spécifique

Les ingénieurs décrivent les performances d'un moteur avec deux nombres : la poussée et l'impulsion spécifique. La poussée est la force produite, entraînée principalement par la quantité de masse s'échappant de la tuyère et par la vitesse à laquelle elle sort. L'impulsion spécifique (Isp), mesurée en secondes, décrit l'efficacité avec laquelle un moteur convertit le propergol en poussée — NASA Glenn la définit comme la poussée divisée par le débit massique du propergol, donc un moteur avec une Isp plus élevée produit plus de poussée à partir de la même quantité de propergol, ou a besoin de moins de propergol pour la même poussée.

Ce seul nombre permet aux ingénieurs de dimensionner un moteur et de comparer des systèmes de propulsion très différents à égalité, c'est pourquoi Isp apparaît constamment sur les fiches techniques des fusées.

Propulsion chimique : liquide, solide et hybride

Presque tous les véhicules quittant la surface terrestre utilisent la propulsion chimique, où un carburant et un comburant réagissent pour produire un gaz chaud et en expansion. Il y a trois configurations principales. Les moteurs à propergol liquide stockent le carburant et le comburant séparément et les pompent dans une chambre de combustion, ce qui permet au moteur d'être modulé, arrêté et redémarré — une flexibilité utilisée par les fournisseurs de lancement gouvernementaux et commerciaux. Les moteurs à propergol solide mélangent le carburant et le comburant dans un seul grain solide emballé dans le fuselage de la fusée ; ils sont structurellement simples et peu coûteux, mais une fois allumés, ils brûlent jusqu'à l'épuisement du propergol. Les systèmes hybrides combinent un carburant solide avec un comburant liquide ou gazeux, se situant entre les deux approches.

Le moteur Raptor de SpaceX, utilisé sur les véhicules Starship et Super Heavy, illustre une approche plus récente au sein de la propulsion liquide : un système de 'combustion de cycle complet' dans lequel tout le carburant et tout le comburant passent par deux pré-chambres distinctes avant d'atteindre la chambre de combustion principale, selon le média aérospatial Everyday Astronaut. Raptor brûle du méthane liquide avec de l'oxygène liquide — une combinaison que SpaceX a choisie en partie parce que le méthane brûle sans laisser les dépôts de suie qui compliquent la réutilisation des moteurs alimentés au kérosène, et en partie parce que le méthane peut, en principe, être fabriqué sur Mars à partir de ressources locales. Le média rapporte que Raptor produit environ 2 méganewtons de poussée avec une impulsion spécifique de vide d'environ 330 à 350 secondes.

Pourquoi les lanceurs sont construits en étages

Atteindre une orbite depuis la surface terrestre nécessite d'atteindre une altitude au-dessus d'environ 150 kilomètres tout en voyageant à plus de 7,9 kilomètres par seconde, selon le guide des lanceurs de l'Agence spatiale européenne. Un seul moteur ne peut rarement accomplir cela efficacement pour tout le vol, donc la plupart des fusées orbitales sont divisées en étages qui sont abandonnés une fois le propergol épuisé, se débarrassant du poids mort afin que les étages restants accélèrent le véhicule plus léger plus facilement.

La description de l'ESA d'un vol typique de classe Ariane montre comment cela fonctionne en pratique : les boosters et l'étage principal se mettent à feu ensemble pendant environ les deux premières minutes de la montée verticale, l'étage principal continue de brûler pendant environ douze minutes tandis que les boosters se sont déjà séparés et sont tombés dans la mer à environ 60 kilomètres d'altitude, et un étage supérieur se met alors à feu pour une période finale, atteignant la vitesse maximale de la mission d'environ 8 kilomètres par seconde avant de libérer sa charge utile. Une fois son travail terminé, un étage supérieur épuisé est généralement déplacé vers une 'orbite cimetière' afin qu'il ne devienne pas un risque de collision pour les satellites actifs.

Au-delà du lancement : propulsion électrique et ionique

Une fois qu'un engin spatial se trouve déjà en orbite ou en espace profond, la propulsion chimique n'est pas toujours le choix le plus efficace pour les longs voyages. De nombreuses sondes utilisent plutôt la propulsion électrique, qui ionise un propergol — généralement le gaz xénon — et accélère les particules chargées résultantes hors du moteur à l'aide de champs électriques alimentés par des panneaux solaires. Le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA décrit la poussée de ces systèmes comme extrêmement douce : dans le cas de la mission de l'astéroïde Psyché, la pression produite par ses propulseurs ioniques est comparable à tenir trois quarts dans votre main, même à pleine puissance.

Cette poussée minuscule ne suffit pas à soulever quoi que ce soit de la Terre, mais dans l'environnement sans friction de l'espace, elle peut être appliquée continuellement pendant des mois, accumulant lentement la vitesse. Le JPL rapporte que les propulseurs solaro-électriques de Psyché ont déjà propulsé l'engin à environ 135.000 kilomètres par heure et le porteront finalement à environ 200.000 km/h — illustrant pourquoi la propulsion ionique est réservée à la croisière en espace plutôt qu'au lancement, où la poussée beaucoup plus élevée des moteurs chimiques est nécessaire pour vaincre la gravité et la traînée atmosphérique en quelques minutes.