La fusée spatiale a fusée spatiale a fusée spatiale
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La fusée spatiale Sommaire Introduction I. Le fonctionnement de la fusée I.1. Les différentes parties de la fusée I.2. Leurs caractéristiques II. Lancement d’Ariane 5 II.1. Présentation du Centre Spatial Guyanais II.2. Déroulement d’une campagne de lancement II.3. Préparation finale à J-1 II.4. Séquence de vol d’Ariane 5 III. Obstacles naturels et physiques III.1. L’attraction terrestre III.2. Frottements de l’air III.3. Force d’inertie III.4. Vitesse accélérée III.5. Conservation de la quantité de mouvement III.6. Moteur-fusée IV. Expérience : la fusée à eau IV.1. Explication IV.2. Expérience IV.3. Synthèse Conclusion Introduction Une fusée en astronautique est un véhicule qui se déplace dans l’espace grâce à un moteur-fusée en emportant à la fois le combustible et le comburant nécessaires à son fonctionnement. Une fusée comprend plusieurs étages pour maximiser sa capacité d’emport La fusée moderne s’est nourrie de plusieurs siècles d’imagination. La science des fusées a été théorisée par le Russe Constantin Tsiolkovski à la fin du XIXe siècle et mise en pratique peu avant la Seconde Guerre mondiale par les chercheurs allemands à des fins militaires. À compter de la fin des années 1950, les fusées ont été utilisées pour mettre en orbite des satellites à des fins commerciales ou de recherche (l’URSS en 1957, les USA un an plus tard, la France en 1965), envoyer des sondes spatiales vers les autres planètes du système solaire et envoyer des hommes dans l’espace. La technologie des fusées n’évolue pratiquement plus depuis les années 1970. Les fusées Ariane illustrent bien la volonté de conquête spatiale de l’Europe. Fusée V2 (premier lancement en 1942) Quels sont les différents problèmes à surmonter pour atteindre l’espace ? Fusée Soyouz (ici en 1975), modèle qui a mis en orbite le premier satellite artificiel Spoutnik 1 en 1957 Des dates importantes : - Dans l’Antiquité, Héron d’Alexandrie inventa une machine appelée éolipile utilisant la vapeur comme gaz propulsif. - En 1232, les chinois inventèrent les « flèches de feu » ; des morceaux de bambou rempli de poudre attachés à des flèches. Ces bambous de poudre se propulsaient eux-mêmes grâce à la poussée émise par les gaz. La fusée était née. - XIVe siècle, en Angleterre, le moine Roger Bacon travailla sur des poudres et améliora la portée des fusées. - En Allemagne, au XVIème siècle, Johann Schmidlap conçut une fusée en escalier. Une première fusée de grande taille (premier étage) emportait une fusée plus petite (deuxième étage). Lorsque la grande fusée s’était consumée, la petite continuait et gagnait l'espace. - XVIIIe siècle, Isaac Newton posa les fondements scientifiques de la fuséologie. Il organisa les résultats de ses recherches en 3 lois (principe d’inertie, principe fondamental de la dynamique, principe des actions réciproques) - En 1898, le russe Constantin Tsiolkovski suggéra d'explorer l'espace à l'aide des fusées. Il a suggéré dans un écrit d'utiliser des carburants liquides pour améliorer la portée des fusées. Il fut d'ailleurs surnommé le "père de l'astronautique moderne". - 16 mars 1926 : Première fusée à carburant liquide. Le physicien américain Robert Hutchings Goddard réalise le lancement d'une fusée propulsée par un mélange d'essence et d'oxygène liquide. L'engin atteint une altitude de 12,50 mètres et une vitesse de 100 km/h. Ce premier essai encouragera Goddard à perfectionner son système de propulsion. Il déposera 214 brevets d'inventions qui joueront une importance capitale dans la conquête spatiale. - 9 avril 1968 : Premier lancement à Kourou. Le centre spatial français de Kourou en Guyane est inauguré avec le lancement de la fusée-sonde « Véronique » (étude de la haute atmosphère et projet FAUST). - 24 décembre 1979 : Naissance de la fusée Ariane. La première fusée Ariane est lancée à Kourou, ce fut une réussite. Ce lancement marque l’entrée de l’Europe dans la course aux étoiles aux cotés des américains et des soviétiques. - À partir de 1981, des lancements commerciaux Ariane débutent. - 30 octobre 1997 : Lancement réussi pour Ariane V. Le deuxième tir d’Ariane V est un véritable succès. Cette réussite permet dès alors de mettre en orbite des satellites de télécommunication lourds et volumineux. I. Le fonctionnement de la fusée I.1. Les différentes parties de la fusée Le corps d’une fusée spatiale est principalement constitué d’un alliage d’aluminium qui a la caractéristique d’être léger, peu coûteux et a de très bonnes propriétés mécaniques. Les propulseurs quand à eux sont constitués d’alliage de titane léger qui a la caractéristique de résister à de hautes températures (600°). La coiffe est constituée d’alliage d’aluminium comme le corps mais contient aussi des composites (fibres de carbones, kevlar, verre). Mais voyons plus en détails la structure de chaque partie de la fusée ARIANE 5 : . I. 2. Leurs caractéristiques La coiffe : La coiffe est constituée principalement d’un alliage d’aluminium ainsi que de composites tel le kevlar ou la fibre de carbone. La coiffe a une forme de cône pour protéger les charges utiles lors du passage a travers l’atmosphère. Les charges utiles sont les satellites. Structure SPELTRA : La structure SPELTRA (ou structure porteuse externe pour lancements multiples Ariane) est situé entre l’étage supérieur EPS et la coiffe. Cette structure se compose de trois centimètres d’épaisseurs de carbone résine. Elle permet à Ariane de transporter deux satellites lors d’un seul lancement. EPS/ESC : L’EPS (Etage à Propergols Stockable) est composé du moteur Aestus et de ses réservoirs d’ergols. L’ESC (Etage Supérieur Cryotechnique) utilise, comme son nom l’indique, un moteur cryotechnique. EAP : Les EAP (Etage d’Accélération à Poudre) sont composés d’un tube métallique contenant le propergol solide et d’une tuyère en acier. Ces propulseurs mesurent chacun 31 mètres de haut pour trois mètres de diamètre. Embarquant 237 tonnes de poudre, ils délivrent 90 % de la poussée totale du lanceur au décollage. EPC : L’EPC (Etage Principal Cryotechnique) est principalement fait d’aluminium. Il est composé principalement de deux réservoirs (Hydrogène liquide et oxygène) et du moteur Vulcain. Le moteur cryogénique (le Vulcain) utilise 160 tonnes d’hydrogène et d’oxygène liquides refroidis à -253° C. Cet étage est mis à feu dès le décollage et assure seul la propulsion du lanceur durant la deuxième phase de vol du lanceur après le largage des étages d'accélération à poudre. Case à équipement : La case à équipement accueille le système de contrôle et de guidage du lanceur. Elle est située directement audessus de l’EPC. La case à équipement est le véritable poste de pilotage du lanceur. Il orchestre l’ensemble des contrôles et des commandes de vol, les ordres de pilotage étant donnés par les calculateurs de bord via des équipements électroniques, à partir des informations fournies par les centrales de guidage. Ces calculateurs envoient également au lanceur tous les ordres nécessaires à son fonctionnement, tels que l’allumage des moteurs, la séparation des étages et le largage des satellites embarqués. Tous les équipements sont doublés, pour qu’en cas de défaillance de l’un des deux systèmes, la mission puisse se poursuivre. Moteur Vulcain : Il n'assure que 10% de la poussée au décollage et sert principalement pendant la deuxième phase de vol, après le largage des EAP. Il a une masse de, pour Vulcain 1, de 1686 kg, et pour Vulcain 2, une masse de 2100 kg. Ce moteur est essentiellement constitué d’un alliage d’acier. II. Lancement d’Ariane 5 II.1. Présentation du Centre Spatial Guyanais La fusée Ariane 5 (ainsi que les lanceurs Vega et Soyouz) est assemblée et lancée au Centre Spatial Guyanais, situé à Kourou. La localisation de la Guyane est optimale pour l’envoi dans l’espace de lanceurs : - proximité de l’équateur - faible densité de population - ouverture sur l’océan Atlantique (en cas de problèmes avec le lanceur) - protection contre les séismes et les cyclones - stabilité politique (la Guyane est française et seule l’Europe dirige ce centre spatial) Le centre ELA 3 d’assemblage, de préparation, de lancement de la fusée Ariane 5 comporte plusieurs bâtiments principaux visibles sur cette image satellite : Le centre ELA 3 d’assemblage, de préparation, de lancement de la fusée Ariane 5 comporte plusieurs bâtiments principaux visibles sur cette image satellite : 1) C’est la zone de lancement d’Ariane 5 composée principalement du pas de tir du lanceur avec la tour Cazes qui permet de maintenir la fusée et de limiter les vibrations lors du décollage. Autour du pas de tir, on trouve 4 pylônes de protection contre la foudre, 3 déflecteurs destinés à canaliser les gaz et les flammes lors de l’allumage des moteurs et, un peu plus loin, une réserve de 1500 m3 d’eau censée arroser la table de lancement et refroidir les déflecteurs. 2) C’est le Bâtiment d’Intégration Lanceur (le BIL) où les principaux éléments composant la fusée sont recueillis et assemblés (le moteur Vulcain, l’EPC, les EAP, l’EPS et la case à équipement). La partie basse est le hall de déstockage, la partie haute (de 58 m) est le hall d’intégration. Au final, il ne manque au lanceur que la coiffe et la charge utile. 3) Le lanceur est ensuite acheminé au Bâtiment d’Assemblage Final (BAF) où il reçoit le ou les satellite(s) ainsi que la structure SPELTRA (s’il y a 2 satellites) et la coiffe. La charge utile est d’abord introduite dans la coiffe dans le hall d’encapsulation (la partie gauche sur la photo). Puis la coiffe est fixée au sommet du lanceur dans le hall d’intégration (la partie droite). Les derniers contrôles des satellites et du lanceur sont effectués dans ce bâtiment. 4) C’est au Centre le lancement n°3 que tout le déroulement de la campagne est contrôlé et dirigé. Ce bâtiment est primordial surtout pendant les dernières heures avant le lancement. Le Chef des Opérations de l’Ensemble de Lancement siège dans ce bâtiment pendant toute la campagne qu’il supervise. II.2. Déroulement d’une campagne de lancement Une campagne de lancement d’Ariane 5 dure 22 jours et se décompose en 2 phases principales : - Les opérations au Bâtiment d’Intégration Lanceur pendant 13 jours - Les opérations au Bâtiment d’Assemblage Final pendant 9 jours Voici le détail de la campagne : J-22 à J-19 Arrivée de l’Etage Principal Cryotechnique, de l’Etage à Propergol Stockable et des Etages d’Accélérateurs à Poudre au BIL J-22 à J-8 Opérations au BIL : - intégration de l’EPC, de l’EPS, des EAP et de la case à équipements - raccordement et contrôle d’étanchéité de l’EPC et de l’EPS - contrôles électriques - contrôles de synthèse J-8 Transfert du lanceur du BIL au BAF et arrivée de la charge utile (satellites) au BAF J-8 à J-1 Le Plan d’Opérations Combinées (POC) se met en place au BAF : - intégrations du ou des satellite(s) et du composite - assainissements - inspections finales - remplissage et pressurisation (sauf pour l’EPC) - armements mécaniques de la charge utile J-1 Transfert du lanceur du BAF à la zone de lancement II.3. Préparation finale à J-1 Le lanceur est transféré du Bâtiment d’Assemblage Final à la zone de lancement par voie ferrée. Le remplissage des moteurs en ergols s’effectue environ 4h30 avant le lancement. 7 minutes avant H0, la séquence synchronisée démarre, elle est automatique et dirigée par 2 calculateurs qui effectuent les dernières mises en œuvre et vérifications : - pressurisation des réservoirs - ouverture des vannes d’alimentation du moteur Vulcain - l’alimentation électrique du lanceur est maintenant gérée par le système du lanceur lui-même - activation des systèmes de pilotage qui contrôlent les différentes phases de vol - derniers contrôles de pression A H0-4s commence la séquence d’allumage, le programme de vol est activé, la trajectoire d’Ariane 5 est calculée et les ordres sont donnés aux moteurs : H0 Le moteur Vulcain est allumé De H0 à H0 + 7,3 s H0 + 7,3 s Le fonctionnement du moteur est contrôlé afin de pouvoir assurer un décollage parfait - Autorisation de l’allumage des Etages d’Accélération à Poudre - Décollage immédiat du lanceur Le lanceur Ariane 5 a maintenant décollé, sa séquence de vol commence et va durer près d’une heure. II.4. Séquence de vol d’Ariane 5 Le lanceur a une ascension progressive (pour ne pas endommager la charge utile), il monte d’abord verticalement pour sortir rapidement de l’atmosphère (très dense) grâce aux EAP et au moteur Vulcain jusqu’à environ 200 km d’altitude. Sa trajectoire devient ensuite peu à peu horizontale. Lorsque le lanceur a la vitesse et l’altitude souhaitée (environ 8000 km/h à 2000 km d’altitude), les moteurs s’éteignent et la charge utile est libérée. La mission lanceur est terminée au moment où les satellites peuvent utiliser leurs propres ressources. L’évolution de la mission et principalement dirigée par la salle de contrôle au Centre Spatial Guyanais mais aussi par d’autres stations en fonction de la trajectoire su lanceur. Voici un exemple de trajectoire du lanceur Ariane 5 pour la mise en orbite de 2 satellites géostationnaires : La plupart des différents éléments largués au cours du vol retombent et coulent en mer ; seule la structure SPELTRA reste en orbite après la séparation des satellites. III] Obstacles naturels et physiques III.1. L’attraction terrestre A proximité de la planète tout objet est attiré vers son centre : c’est l’effet de la gravité, la force d’attraction de la Terre. S’il y a un obstacle (le sol, immeuble, table…) celui-ci empêche l’objet d’y tomber. C’est la réaction de l’obstacle sur l’objet qui créé la sensation de poids, c'est-à-dire la pesanteur. S’il n’y a aucun obstacle l’objet tombe sans s’arrêter en chute libre jusqu’au centre de la Terre. Durant cette chute il n’y a donc plus de pesanteur, c’est alors une situation d’impesanteur. Aussi surprenant que cela puisse paraître, la pesanteur et l’impesanteur sont des conséquences directes de l’attraction terrestre. Leur seule différence tient à la présence ou non d’un obstacle. Il faut savoir que pour surmonter la force de la pesanteur, une fusée doit être amené à une vitesse d’au moins 11179 m/s afin de quitter l’attraction terrestre à partir du sol. En 1883, le Russe Konstantin Tsiolkovski remédie à ce problème en imaginant un moteur-fusée capable de créer sa propre force motrice, aussi bien dans l’atmosphère que dans le vide spatial. Temps H0 + 7.3s H0 + 2min22s H0 + 3min16s H0 + 9min30s H0 + 9min40s H0 + 9min50s H0 + 25min H0 + 30min H0 + 33min H0 + 37min H0 + 53min Evénement Décollage Séparation des EAP Largage de la coiffe Extinction du moteur Vulcain Séparation du 1er étage (EPC) Allumage du 2e étage (ESC) Extinction du 2e étage Séparation du 1er satellite Séparation de la structure SPELTRA Séparation du 2e satellite Fin de mission lanceur Altitude (km) Vitesse (km/h) 0 0 65 7 400 100 8 300 145 28 000 147 28 030 150 28 050 1650 31 000 2300 29 000 3000 28 000 4000 8000 26 000 20 000 Le simple fait d'éjecter vivement des projectiles suffit, à condition que le frottement du véhicule sur le sol soit faible, à créer un déplacement. Dans un moteur-fusée, les projectiles sont des molécules gazeuses éjectées à grande vitesse et en grande quantité. Pour cela on note la 3ème loi de Newton : l’action/réaction. « A toute action correspond une réaction égale et en sens opposé. » C’est le principe de l’action et de la réaction découvert par Newton, qui s’illustre facilement avec l’exemple du rameur : à l’action des rames, l’eau réagit en sens inverse et fait avancer la barque. La propulsion par réaction des fusées, est l’unique moyen (au moins pour le moment) de quitter la Terre et de voler dans l’espace. Son fonctionnement repose sur un phénomène naturel d’action et de réaction. Le moteur éjecte à très grande vitesse d’importantes quantités de gaz dans une direction donnée. Par réaction à la masse de gaz ainsi générée, le lanceur est propulsé dans la direction opposée. La force délivrée s’appelle la poussée, qui doit au minimum être supérieure au poids du lanceur. Principe d’action- réaction du moteur fusée La poussée est l’unité de mesure de la force propulsive générée par les moteurs, exprimée en Newton (N). Exprimer la poussée en tonnes est incorrect, bien que fréquemment utilisé. Cela correspond en fait à la masse que cette force peut soulever. Astuce : Pour interpréter la valeur d’une force mesurée en kN, il suffit de diviser ce nombre par 10 pour obtenir à peu près la masse correspondante en tonnes. Ainsi, une force de 650 kN correspond à une masse d’environ 65 t. Où F : la poussée en Newton : débit massique des gaz propulsifs en kg/s Ve : vitesse d’éjection des gaz en m/s Pour un spationaute, flottant dans sa combinaison spatiale, lui ne peut changer de position sans impliquer quelque chose d'autre, comme par exemple se pousser sur son vaisseau spatial. Le centre de gravité - ou "centre de masse" - est un point fixe, qui ne peut être déplacé sans aide extérieure (tourner autour est cependant possible). En jetant un objet lourd dans une direction, l'astronaute peut obtenir un déplacement en direction opposée, bien que le centre de gravité commun reste toujours le même. Avec une bouteille d'oxygène comprimé, le même résultat est obtenu en détendant du gaz. Une fusée fait presque la même chose, sauf que le gaz froid est remplacé dans la réaction par un gaz chauffé, beaucoup plus rapide, produit par la combustion de carburant approprié. En regardant une fusée s'élever, il est bon de se rappeler que le centre de gravité commun à la fusée et à ses gaz d'échappement reste toujours où il a commencé, au point de lancement, abstraction faite de la rampe de lancement, de l'atmosphère et de la Terre. III.2. Frottements de l’air Un corps en chute libre, en déplacement dans l’air, subit la résistance de l’air. Pour cela une fusée doit être aérodynamique pour plus de facilité: L’aérodynamisme qualifie un corps en mouvement dans l’air. Cela s’applique aux véhicules en mouvement dans l’air, aux systèmes de propulsion, et aux installations fixes subissant les effets du vent ou destinés à la production d’énergie. Le champ de pression s’exerçant sur un obstacle induit globalement un torseur d’effort où l’on considère une force. L’expression de cette force est généralement de la forme : F = force exercée sur l’obstacle en Newton ; ρ = masse volumique de l'air (ρ varie avec la température et la pression) en kg/m3 ; S = surface de référence en m² ; C = coefficient aérodynamique est sans unité ; V = vitesse de déplacement en m/s. III.3. Force d’inertie La première loi de Newton : la force d’inertie, ou force fictive, est une force apparente qui agit sur les masses lorsqu'elles sont observées à partir d'un référentiel non Galiléen (=non inertiel), autrement dit d'un point de vue en mouvement accéléré ou en rotation. Les principales forces fictives sont la force centrifuge et la force de Coriolis. La mécanique classique fait intervenir les lois de Newton, et celles-ci ne sont valables que dans un référentiel galiléen. Si l'on se place dans un référentiel non inertiel ayant un mouvement accéléré par rapport à un référentiel galiléen, les lois de Newton ne peuvent plus s'écrire, sauf en ajoutant des forces fictives: les forces d'inertie interviennent. La fusée a une accélération constante, on se place dans un référentiel galiléen : Supposons que (R'), un référentiel non galiléen, subisse une accélération constante dans (R), un référentiel galiléen. (R') est donc animé d'un mouvement linéaire uniformément accéléré dans R. Dans R, il faut ajouter la force d'inertie d’entrainement qui vaut alors simplement : où m est la masse (supposons la constante) C'est ce qui se passe par exemple dans une voiture en ligne droite : la force d'inertie s'oppose à l'accélération de la voiture. Et donc dans le cas de la fusée spatiale qui a une vitesse accélérée jusqu’au franchissement de l’espace : la force d’inertie s’oppose alors à cette accélération. Cependant, la force d’inertie est, avec la force centrifuge et la force de Coriolis, l’une des trois forces fictives (appelées également forces apparentes) qui sont utilisées par les physiciens dans le cadre de descriptions purement imaginaires. Mais aucune de ces trois forces n’existe réellement. Il est donc strictement impossible d’en observer ou d’en ressentir les effets. III.4. Vitesse accélérée La fusée, pour atteindre l’espace, ne doit jamais avoir une vitesse constante mais progressive : c’est une accélération. En plus de cela, la fusée perd de sa masse tout au long de son décollage. Cependant les formules sont beaucoup trop compliquées pour une masse variable, alors nous allons la supposer constante. Il faut alors créer une force progressive supérieure à mg (masse gravitationnelle, en N). Pour que la fusée monte il faut alors que : F > mg F étant la poussée. La seconde loi de Newton définit le principe fondamental de la dynamique en translation, elle s'énonce ainsi : soit un corps de masse m (constante) : l'accélération a subie par un corps dans un référentiel galiléen est proportionnelle à la résultante des forces qu'il subit, et inversement proportionnelle à sa masse m. Ceci est souvent récapitulé dans l'équation : Où : désigne les forces extérieures exercées sur l'objet, m est sa masse, correspond à l'accélération de son centre d'inertie G. Cette équation signifie que toute force appliquée à un objet produit automatiquement une accélération, quelle que soit la masse de cet objet. Plus la masse d'un objet est grande, plus grande est la force requise pour l'accélérer à une vitesse déterminée (en un laps de temps fixé) ; pour la fusée il s’agit de 11179 m/s. III.6. Moteur-fusée Les moteurs-fusées sont des moteurs à réaction utilisés sur les fusées ; presque tous sont prévus pour fonctionner aussi bien hors de l'atmosphère terrestre qu'au niveau du sol ou de la mer. Pour ce faire, ils embarquent leur comburant en plus de leur carburant. Il existe deux grandes catégories de moteurs-fusées : • • moteurs-fusées à ergols solides ; moteurs-fusées à ergols liquides. Le moteur-fusée est le type de moteur au principe de fonctionnement le plus simple : deux ergols brûlent dans une chambre de combustion, les gaz rejetés sont accélérés et éjectés à grande vitesse par une tuyère. Cette vitesse est d’autant plus grande que la pression et la température de combustion sont élevées. Plusieurs caractéristiques s'appliquent aux moteurs-fusées : • L'Impulsion spécifique, exprimée en seconde, mesure combien de secondes un kilogramme d'ergol fournit une poussée de un kilogramme-force, soit 9,80665 Newton. Plus elle est élevée, meilleur est le rendement massique du système, en terme de force exercée ; attention cependant, ce qui compte en réalité n'est pas cette force, mais la quantité de mouvement transmise au véhicule. • Le débit massique, correspondant à la masse d'ergols consommée par unité de temps. • La vitesse d'éjection des gaz, dont dépend indirectement la vitesse atteinte par le véhicule. • La poussée, mesurée en Newton. • Le rapport poids/poussée, qui représente le poids du moteur sur sa poussée. Plus le moteur est léger et plus sa poussée est importante et plus est avantageux est son rapport. Pour cela on passe par la propulsion spatiale : = tout système permettant de déplacer un véhicule spatial que ce soit du sol vers l'espace ou bien directement dans l'espace pour des changements d'orbite terrestre ou des trajectoires interplanétaires. Cela inclut donc les moyens de propulsion des véhicules spatiaux (fusées, satellites, sondes) ou les systèmes de contrôle d’orbite et d’altitude. Structure d’un système propulsif spatiale C’est le fonctionnement global abstrait, mais s’applique de façon générale aux différents types de propulseurs. Les différents types de propulsion se classifient. On peut le faire en trois groupes selon le niveau de technologie nécessaire de développement : la propulsion classique, la propulsion avancée et la propulsion exotique. Plus précisément il y a : Propulsion chimique Moteur-fusée • Moteur-fusée à ergols liquides • Propulseur à propergol solide • Propulsion hybride • Statofusée • Moteur Aerospike • Moteur à ondes de détonation pulsées Propulsion électrique Moteur ionique • Moteur photonique • Moteur à plasma (VASIMR) • Propulseur à force ponderomotrice • Arcjet • Résistojet • Propulseur à effet Hall • Propulseur magnétoplasmadynamique • Magnétohydrodynamique Propulsion nucléaire Propulsion nucléaire thermique • Propulsion radioisotopique • Propulsion nucléaire pulsée • Propulsion par fragments de fission • Antimatière Propulsion sans ergols Voile solaire • Voile magnétique • Propulsion laser • Ascenseur spatial • Catapulte électromagnétique • Propulsion captive • Collecteur Bussard Autre type de propulsion Moteur d'Alcubierre • Propulsion à gaz froid • Moteur à réaction Beaucoup de noms compliqués, mais retenons principalement qu’il y a : _ La propulsion chimique : qui est le mode de propulsion utilisé principalement dans les moteurs-fusées. Elle ne fait aucun prélèvement de matière au milieu ambiant, mais consiste à éjecter une fraction de la masse propre du système (ergols, propergol…). Les grandeurs typiques pour les moteurs fusées sont une impulsion spécifique variant de 200 s à 440 s, pour des poussées s'étageant de 103N à 107N selon la taille du propulseur. Les propulseurs liquides offrent la possibilité d'extinctions et de rallumages nombreux et une facilité de modulation de poussée. On les trouve ainsi sur les lanceurs et les satellites par exemple. _ La propulsion électrique : qui est un type de propulsion à réaction à applications spatiales. Le principe est similaire à la propulsion chimique dans le sens où les produits éjectés sont accélérés comme les gaz brûlés dans une tuyère. _ La propulsion nucléaire : qui est la technique d'utilisation de l'énergie nucléaire pour obtenir une propulsion spatiale plus puissante ou plus efficace. IV. IV. Expérience : la fusée à eau eau I.1. Explication 1) Définition Une fusée à eau est un engin volant constitué globalement d'une bouteille propulsée par réaction, en utilisant de l'eau et de l'air sous pression. Leur lancement nécessite l'utilisation d'une base de lancement fabriqué à cet effet. 2) Principe La propulsion d'une fusée à eau est basée sur le principe d'action-réaction : lorsqu'une certaine masse (la masse d'eau, ici) est éjectée violemment d'un conteneur, il se crée une force de réaction dans le sens opposé. Dans les fusées à eau, la masse à éjecter est donc de l'eau, fluide parfaitement neutre et dépourvu d’énergie. Le moyen pour éjecter cette eau n'est pas une réaction chimique mais la mise sous pression de l'air dans le conteneur. Ce conteneur est ainsi une simple bouteille. Pour des raisons de sécurité, il est important que cette bouteille soit en PET, afin de résister à la forte pression interne. Plus la pression de l'air dans la fusée est élevée, plus l'eau sera éjectée rapidement, et donc plus la force de réaction sera grande, même si elle dure moins longtemps. Dans la pratique, la phase de propulsion d'une fusée à eau est en général très courte. Cependant, après cette phase propulsive, la fusée à eau continue son ascension grâce à l'énergie cinétique acquise, et ceci malgré la pesanteur et la résistance de l'air. 3) Le vol d’une fusée à eau Les étapes du vol d'une fusée à eau simple sont les suivantes : • • • • • Propulsion à l'aide du tube de lancement (s'il y en a un) Propulsion par éjection de l'eau et de l’air sous pression Ascension non propulsée (décélération due à la gravité et la traînée) Atteinte de l'apogée (altitude maximale, vitesse verticale nulle) Chute jusqu'au sol (freinée ou non par un parachute) La propulsion ne représente qu'une très courte partie du vol. IV.2. Expérience 1) Construction de la fusée - Nous avons simplement gardé une bouteille PET de 1,25 litres qui servira de réservoir ; une autre coupé au 2/3 dont le tiers restant servira comme ogive pour mieux pénétrer dans l’air. - Nous assemblons les deux morceaux en un avec du scotch ultra adhésif. - Il suffit ensuite de remplir le réservoir par le goulot de la quantité d’eau que l’on veut mettre ; et enfin de bien mettre le bouchon spécial de pompage et les ailerons. Elle est Lancement de fusée à eau H+30ms. H+90ms. H+150ms. prête. En image : Matériel : 2 bouteilles PET de 1 Litre Pompe de vélo à main ou si possible à pied Cutter ou ciseau Scotch ultra adhésif Tuyau de pompage suivi d’un bouchon spécial pour la bouteille accompagné d’ailerons Fusée parée aux essais : Découpage : Bouteille entière qui servira de réservoir Bouteille coupée au 2/3 dont le tiers restant sera l’ogive Fusée assemblée Assemblage : Ogive Réservoir Tuyère (=goulot) Scotch ultra adhésif 2) Les essais On note : P : la valeur de la pression en bars (Ba) lorsque le bouchon saute. h : la hauteur maximum atteinte de la fusée en mètre (m). t : le temps en seconde (s) pour qu’elle atteigne sa hauteur maximum. m : la masse en kg de la fusée. V : la vitesse de la fusée en km/h. Les valeurs sont approximatives à cause du matériel. Nous avons essayé de mesurer la hauteur en attachant une extrémité de fil de pêche sur la fusée et que l’on laissait se dérouler la bobine jusqu’à la hauteur maximale mais cela ne marchait pas car le décollage est trop puissant et rapide alors la bobine ne se déroule pas assez vite et s’emmêle et donc fait retenir la fusée. - 1er essai : 20% d’eau > 25cL Lors de ce premier essai nous avons remarqué que la fusée a besoin d’être stable et équilibré sur le sol, les ailerons permettent aussi de jouer ce rôle. Sinon elle tombe lors du pompage. P = environ 7 bars. h = 2 fois le bâtiment de référence c'est-à-dire environ 30 m. t = environ 3 s. V = h / t = 30 / 3 = 10 m/s = 36 km/h - 2e essai : 35% d’eau > 44cL Lors de cet essai nous avons remarqué que le système dans le bouchon de pompage ne doit pas être trop huilé, cela nuit au décollage car le bouchon part trop tôt. P = environ 6,7 bars. h = environ 2,5 fois le bâtiment de référence, c'est-à-dire 37.5 m. t = environ 3,2 s. V = h / t = 37,5 / 3,2 = 11,8 m/s = 42,48 km/h - 3e essai : 50% d’eau > 62,5cL Lors de cet essai nous avons remarqué que les conditions climatiques sont importantes, surtout la force du vent pour notre simple fusée en PET. En effet, notre fusée est très légère, et lorsqu’elle atteint son apogée et qu’elle a donc vidé toute son eau et son air, elle subit fortement le vent qui l’a fait dévier. Il est bien de lancer des fusées à eau avec un espace vide autours. Par ailleurs notre fusée a atterrit sur la corniche du lycée, mais nous avons pu la récupérer. P = environ 6,5 bars. h = 0,8 fois le bâtiment de référence, donc environ 12 m. t = environ 2 s. V = h / t = 12 / 2 = 6 m/s = 21,6 km/h - 4e essai : 70% d’eau > 87,7cL Lors de cet essai nous avons remarqué que la fusée était lourde, bien remplie d’eau. Dans son envol la fusée n’a pas fait une trajectoire normale, elle était complètement courbée. A l’atterrissage, on a vu qu’il y avait encore de l’eau dans le réservoir de la fusée. P = environ 8 bars h = 0,42 fois le bâtiment de référence, soit environ 6,3 m. t = environ 1 s. V = h / t = 6,3 / 1 = 6,3 m/s = 22, 7 km/h Voici un graphique représentatif de nos résultats : Hauteur atteinte en fonction du volume d'eau 40 Hauteur (m) 35 30 25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 Vol (cL) 80 100 IV.3. Synthèse Trop d’eau dans le réservoir, implique peu de place pour y injecter de l’air. Il faut beaucoup de pression pour pouvoir l’expulser violement. Mais trop d’eau empêche un équilibre entre l’eau et l’air, et souvent la fusée a une trajectoire courbée, et une faible performance. Alors à son apogée de vol elle se retrouve encore avec de l’eau, mais plus d’air pour l’éjecter. Remplis, à peu près, d’un tiers d’eau, la fusée effectue sa meilleure performance. La pression, assez élevée, injecté par le pompage a permis une bonne vitesse d’éjection et de croisière, d’où la plus haute valeur d’énergie cinétique et de vitesse du 2e essai. Il y a eut un parfait équilibre entre l’eau et l’air pour que tout au long de son vol l’éjection de l’eau reste dépendante de la pression de l’air, et que l’un ne manque pas de l’autre. A l’apogée de sa performance, il n’y eut plus d’eau en même temps qu’il n’y eut plus d’air. Peu d’eau dans le réservoir, implique beaucoup de place pour injecter de l’air. Elle est plus facilement propulsée violement. On peut supposer qu’à son apogée de vol elle se retrouve sans eau mais encore avec de l’air à éjecter. Or cela ne permet plus fortement son ascension car il faut toujours expulser de la matière donc de l’eau. Il n’y a toujours pas d’équilibre entre l’eau et l’air, certes la performance est meilleure, mais on peut faire mieux. Tout au long d’un vol, l’éjection de l’eau provoque une perte de masse, la fusée prend de la vitesse pendant une faible période de temps. Par tous ces essais le principe d’action-réaction a été réalisé ; sans ça la fusée ne peut décoller ni voler. La pression de l’air dans la bouteille est assez forte pour éjecter la masse d’eau nécessaire pour décoller violement. Cette masse applique une force contre le sol qui l’a renvoie plus fortement et l’a fait décoller (comme l’effet de recul de l’arme lorsque l’on tire une balle). Comme pour la fusée spatiale, la poussée doit être supérieure à la masse gravitationnelle pour qu’elle effectue son ascension. Tout au long de son vol c’est aussi le même effet malgré moins important ; dans l’air, l’éjection rapide de la masse d’eau par la pression de l’air en plus de sa perte de masse, est assez conséquente pour que la fusée continue à se propulser. L’expérience de la fusée à eau nous a permis de retrouver de nombreux phénomènes s’appliquant à la fusée spatiale. Conclusion Ainsi, les problèmes tels que l’attraction terrestre, la rotation de la Terre, l’emplacement de la base spatiale, la structure du lanceur, tous nécessaires à la mise en orbite d’un satellite, ont été résolus. Nous avons étudié les principes physiques s’appliquant à la fusée, le déroulement de sa construction et de son lancement… La plupart cette étude s’est basée sur le lanceur Ariane 5, ce qui nous a permis de mieux connaître ce lanceur européen et surtout français. Depuis près de 70 ans, la technologie spatiale a considérablement évoluée, permettant en 1957 la mise en orbite du premier satellite artificiel, Spoutnik 1. Quatre ans plus tard, un homme, Youri Gagarine, effectuera une révolution autour de la Terre le 12 avril 1961. Ainsi, plus de 5000 satellites ont été envoyés dans l’espace, dont environ 300 par les lanceurs Ariane, en 30 ans de temps.
