Fonctionnement d’un moteur de fusée

Space X vient tout juste d’annoncer sa nouvelle version de moteurs, Raptor V2, qui vont être utilisés sur le vaisseau Starship et son booster.

Mais dis-moi Stella, comment ça fonctionne au juste un moteur de fusée ?

Le principe actuel de la propulsion aérospatiale a été imaginé en 1883 par Konstantin Tsiolkovsky, le père de la cosmonautique moderne. La propulsion aérospatiale est basée sur la 3eme loi de Newton site principe de réaction, celle-ci stipule que si l’on produit une force exercée dans un sens, nous subissons une force de même intensité dans le sens inverse.

Ainsi, une fusée, pour voler, se doit d’exercer une force vers le bas afin de se déplacer vers le haut. C’est pourquoi les moteurs des fusées éjectent des gaz dans le sens inverse à la trajectoire de l’engin.

Actuellement, pour éjecter ces gaz, les moteurs de fusées ont besoin de 3 choses : un afflux de carburant, une combustion et ensuite un écoulement contrôlé au travers d’une tuyère. En brulant le carburant dans une chambre à combustion, la vitesse d’éjection des gaz sera plus importante, augmentant ainsi la force exercée par et sur la fusée.

Tout d’abord, il faut savoir qu’il existe différents types de carburants. Les deux types les plus répandus sont les carburants solides et les liquides. Pour les premiers, le carburant est stocké à l’état solide (comme ce fut le cas notamment pour les boosters des navettes spatiales) et sa combustion est démarrée lors du décollage. Ce type de moteur n’est arrêté qu’une fois le carburant complètement consommé. Son utilisation est donc unique. Le deuxième type de carburant quant à lui se voit composé de deux réactifs : un oxydant (par exemple de l’oxygène) et un carburant (par exemple du méthane, un dérivé pétrolier, …). Les deux réactifs sont préalablement mélangés avant d’être injectés à haute pression dans la chambre de combustion.

La combustion quant à elle se déroule à haute pression et permet d’augmenter l’enthalpie du gaz (« le charger en énergie »).Une fois ces deux étapes effectuées, viens l’écoulement en tuyère, qui requiert énormément de réflexion. En effet, le design d’une tuyère va varier en fonction des caractéristiques recherchées. Il faut tout d’abord savoir qu’une tuyère est composée d’une partie convergente, suivie d’une gorge et enfin d’une partie divergente. Cette disposition permet à l’écoulement d’atteindre la vitesse du son au niveau de la gorge (en démarrant à un état proche du repos lors de la combustion) et de continuer à accélérer jusqu’à atteindre des vitesses conséquentes en sortie. Tel est l’effet principal recherché puisque la poussée dépend directement de la vitesse d’expulsion des gaz.

Ce n’est cependant pas le seul paramètre dont il faut tenir compte ! En effet, la pression de sortie des gaz est un paramètre de première importance. Pour qu’une tuyère soit « parfaitement étendue » il faut que la pression à la sortie de la tuyère soit égale à la pression ambiante. Autrement, des chocs ont lieu à la sortie, ralentissent l’écoulement et induisent des pertes de pression. C’est pour cette raison même que différentes versions de moteurs existent. C’est notamment le cas pour les moteurs Raptors possédant une version « RVAC » ou encore Raptor Vacuum (=vide) » qui se caractérisent par une tuyère de section plus large à la sortie, permettant d’obtenir une pression d’échappement beaucoup plus faible, correspondant à la pression présente dans l’espace. Dans certains cas, la tuyère est tellement grande qu’elle ne peut être déjà montée sur le moteur au décollage. Avant l’allumage du moteur, une tuyère télescopique est alors déployée pour étendre la tuyère.

Autre exemple, si vous regardez un décollage d’une navette spatiale, vous pourrez observer des chocs dans la tuyère des moteurs principaux puisqu’en réalité ces moteurs sont étudiés pour voler à plus haute altitude donc, à plus faible pression. En fait, au décollage ces moteurs ne produisent presque aucune poussée.

Voici pour cette petite introduction au fonctionnement des moteurs de fusée, en espérant vous avoir donné goût à cette science plus que palpitante !

Pour en savoir plus :

George P. Sutton, Oscar Biblarz, « Rocket propulsion elements, eight edition », John Wiley & Sons, Inc, 2010 : https://ia801307.us.archive.org/…/Rocket_Propulsion…