Moteur-fusée

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Moteur Vulcain de la fusée Ariane au Musée des Sciences et des Techniques de la Villette à Paris.

Les moteurs-fusées sont des moteurs à réaction utilisés sur les fusées, dont certains sont prévus pour fonctionner aussi bien dans, que hors de l'atmosphère terrestre. Ils embarquent, en plus de leur carburant, un comburant.

Il existe deux grandes catégories de moteurs-fusées :

moteur-fusées à ergols solides ;
moteurs-fusées à ergols liquides.

Sommaire

1 Carburant/comburant
2 Moteurs à ergols liquide
- 2.1 Moteurs à ergols hypergoliques
- 2.2 Moteurs à ergols cryogéniques
3 Moteurs à ergols solides
4 Sujet proche
5 Voir aussi
- 5.1 Liens internes

[modifier] Carburant/comburant

Différents couples carburant/comburant, peuvent être utilisés dans ces moteurs.

Poudre+o2. Utilisé pour les fusées de feux d'artifice ainsi qu'en appoint de puissance au décollage des avions très gros porteurs et des fusées de lancement de véhicules spatiaux.
Hydrogène+oxygène. extrèmement difficile à utiliser à cause de l'inflammabilité de l'hydrogène, ce couple est dangereux d'utilisation du fait des risques élevés d'explosion. Il est employé par la navette spatiale américaine (avec ses boosters à poudre pour l'ascension primaire). Il est également utilisé par le moteur Snecma HM7-B (Ariane 4) et par les moteurs Vulcain et Vulcain 2 (Ariane 5).
Kérosène+oxygène. Facile d'emploi mais moins performant que le couple Hydrogène+oxygène. Il est utilisé par les fusées Soyouz et était utilisé par le premier étage de la fusée lunaire Saturn 5.
Métal+oxygène. Dans certains cas, on utilise l'oxydation rapide de métaux simples comme réaction chimique. Pour cela, il faut pulvériser le métal afin d'augmenter la surface de combustion, certaines poudres sont ainsi faites en utilisant de l'aluminium, du soufre, du magnésium (comme dans certaines anciennes lampes flash photographiques), ou du lithium.

De manière générale, les carburants les plus courants (et les plus simples) sont :

Les comburants les plus simples sont :

Les couples d'ergols les plus courants sont :

Oxygène liquide / Kérosène (Soyouz, Saturn 5 (1^er étage) )
Oxygène liquide / Hydrogène liquide[LH2] (navette spatiale, Ariane 5, Delta IV, Energia, Saturn 5 (2^e et 3^e étage) )
Tétraoxyde d'azote (N₂O₄) / diméthylhydrazine asymétrique (UDMH) (Proton, Ariane 1 à 4 (1^er et 2^e étage), Vanguard)

Pour donner un exemple de la complexité réelle (au-delà des informations de base données plus haut), dans le cas, très médiatisé, des boosters de la navette spatiale américaine, la mixture d'ergol dans chaque moteur de booster consiste en (% massiques) :

69,6 % de perchlorate d'ammonium - le comburant / oxydant
16 % d'aluminium - le carburant
12,04 % de polymère qui permet de lier les deux composants
1,96 % d'un agent de nettoyage époxy
0,4 % d'oxyde de fer - catalyseur

[modifier] Moteurs à ergols liquide

Ces moteurs utilisent des ergols stockés dans des réservoirs séparés, qui sont injectés dans une chambre de combustion puis éjectés par la tuyère, générant la poussée.

Exemple : Soyouz, booster d'Energia,

[modifier] Moteurs à ergols hypergoliques

Les ergols hypergoliques ont la particularité de s'embraser spontanément lorsqu'ils sont mis en contact, ce qui permet de simplifier le moteur.

Exemple : le moteur de remontée du module lunaire du programme Apollo, les moteurs de manœuvre de la navette spatiale.

[modifier] Moteurs à ergols cryogéniques

Ces moteurs utilisent des ergols cryogéniques stockés à très basses températures. Le seul couple d'ergols de ce type utilisé en situation réelle est Oxygène liquide / Hydrogène liquide.

Exemple : moteur principal de la navette spatiale américaine, moteur principal d'Ariane 5, moteur principal d'Energia.

[modifier] Moteurs à ergols solides

Ces moteurs utilisent un mélange d'ergols sous forme solide. On utilise alors le terme de propergol pour désigner un mélange oxydant/réducteur autonome ou semi-propergol lorsqu'un autre composant doit être apporté (par exemple : air dans un statoréacteur).

Les moteurs à propergol solide sont constitués d'un corps de propulseur rempli de propergol qui peut être mis en forme à part puis mis en place dans le corps de propulseur, ou bien coulé puis cuit in situ dans le corps de propulseur, ce qui est généralement le cas pour les gros propulseurs récents.

La combustion se déroule idéalement en couches parallèles. La géométrie initiale du bloc de propergol fixe alors la loi d'évolution de surface du bloc, donc sa loi de débit et de poussée. Les géométries les plus courantes sont :

à combustion frontale : le bloc brûle "en cigarette", c'est à dire avec une surface de combustion faible en regard du volume mais constante ;
avec un canal : un canal est pratiqué dans l'axe du bloc et la combustion évolue radialement. Le canal peut être axisymétrique ou présenter un motif particulier, souvent en étoile.

Exemple de moteurs à propergol solide : boosters à poudre de la navette spatiale américaine, boosters à poudre d'Ariane 5, les russes ont aussi utilisé quelquefois ces moteurs, la plupart des propulseurs de missiles tactiques ou balistiques.

[modifier] Sujet proche

Voir l’article Amorçage d'une tuyère.

On se demande parfois pourquoi la flamme produite à la sortie du moteur de fusée ne remonte pas jusque dans les réservoirs et n'enflamme pas son contenu de manière brutale. En fait, il s'agit simplement du fait que la vitesse d'éjection du produit de combustion est largement plus importante que la vitesse de propagation de la réaction chimique. Il se maintient ainsi une flamme qui ne démarre qu'à une certaine distance de la bouche du réacteur.