Moteur-fusée - Définition
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Principe de fonctionnement
Le moteur-fusée est le type de moteur au principe de fonctionnement le plus simple : deux ergols brûlent dans une chambre de combustion, sont accélérés par une tuyère de Laval et sont éjectés à grande vitesse par une tuyère.
Plusieurs caractéristiques s'appliquent aux moteurs-fusée :
- 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 termes de force exercée ; attention cependant, ce qui compte en réalité n'est pas cette force, mais la quantité de mouvement transmise au véhicule, de sorte que l'optimum énergétique ne s'obtient pas en maximisant l'impulsion spécifique.
![V_e = \sqrt{\;\frac{T\;R}{M}\cdot\frac{2\;k}{k-1}\cdot\bigg[ 1-(P_e/P)^{(k-1)/k}\bigg]}](https://static.techno-science.net/illustrationWebp/Definitions/autres/7/7cfc8d726613be693b94f69352a4ee55_6d9b166b8de17519d9a52795b020a94c.png)
| où: | |
| Ve | = vitesse de sortie du flux, m/s |
|---|---|
| T | = température absolue du flux, K |
| R | = Constante universelle des gaz parfaits = 8314.5 J/(kmol·K) |
| M | = masse moléculaire des ergols, kg/kmol |
| k | = cp / cv = Capacité thermique massique |
| cp | = Capacité thermique massique du gaz à pression constante |
| cv | = Capacité thermique massique à volume constant |
| Pe | = pression de sortie en Pascal |
| P | = pression interne du flux en Pascal |
- La poussée, mesuré en Newton et calculée ainsi :
où:
-
-
-
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-
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- 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.
Moteurs-fusée nucléaires
La propulsion nucléaire spatiale applique la fission nucléaire aux moteurs-fusée, ils pourraient produire une poussée considérable et de longue durée. Aucun moteur de ce type n'a été utilisé.
Moteur à ergols liquides
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. Beaucoup plus performants que les modèles à ergols solides, ils sont néanmoins complexes à concevoir, à fabriquer et à utiliser. A l'heure actuelle, pratiquement tout les moteurs de fusées et de vaisseaux habités sont de ce type. Un autre avantage des moteurs à ergols liquides est leur facilité de contrôle de la combustion, en effet, on peut régler la poussée et les éteindre et rallumer plusieurs fois de suite. Cette dernière caractéristique les rend très utiles pour les moteurs vernier.
Exemples : Soyouz, booster d'Energia.
Les principaux couples d'ergols sont :
- acide nitrique-kérosène
- hydrogène liquide-oxygène liquide (LOX)
- LOX-kérosène
- peroxyde d'hydrogène
- oxygène-hydrazine
- peroxyde d'azote-kérosène
- peroxyde d'azote-hydrazine
- peroxyde d'azote-1,1-diméthylhydrazine
Le refroidissement du moteur peut se faire de trois manières : soit par circulation d'un ergol (généralement le carburant) autour du moteur (premiers modèles), soit par pulvérisation interne du comburant sur la paroi (moteurs de dimensions réduites), soit en utilisant ces deux possibilités (moteurs principaux). Souvent, ces moteurs utilisent des ergols cryogéniques, liquides, stockés à très basses températures. Le seul couple d'ergols de ce type utilisé en situation réelle est Oxygène liquide (LOX)/ Hydrogène liquide (LH2).
Chambre de combustion
La chambre de combustion est la partie où les ergols sont injectés et brulés. C'est également là que le refroidissement interne est réalisé. Ses dimensions dépendent du couple d'ergols et du type d'injecteurs.
Tuyère de Laval
La tuyère de Laval est la partie située entre la chambre de combustion et la tuyère. Elle sert à accélérer les gaz jusqu'à la vitesse du son.
Tuyère
La tuyère est la partie où les gaz accélèrent et sortent du moteur. Sa forme caractéristique est due au besoin d'adapter la pression du flux de sortie à la pression ambiante, pour de raisons de stabilité de combustion et de poussée. Cependant, en gagnant de l'altitude, le diamètre de sortie devrait s'élargir, ce qui est difficile à faire avec une configuration classique. Pour contrer ce problème, un nouveau type de tuyère est développée : la tuyère à compensation d'altitude. Ce genre de tuyère à la particularité de laisser un large espace aux gaz, leur permettant de 'coller' aux changements de pression.
Tuyère de type 'aerospike' à compensation d'altitude. Les gaz collent à la paroi et peuvent se dilater sans problème. | 
Evolution de la température, vitesse et pression des gaz. | 
De haut en bas: pression ambiante trop basse, idéale, légérement trop élevée, beucoup trop élevée . |
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 une partie du moteur, car le dispositif d'allumage devient alors superflu.
Exemple : le moteur de remontée du module lunaire du programme Apollo, les moteurs de manœuvre de la navette spatiale.
Moteurs à lithergols (propulsion hybride)
Ces moteurs utilisent un ergol solide et un autre liquide, généralement un carburant solide et un comburant liquide. On peut citer dans cette catégorie le moteur du vaisseau SpaceShipOne.
Moteurs à monergol
Les moteurs à monergol n'utilisent pour leur fonctionnement qu'un seul ergol, celui-ci à la particularité de s'auto-enflammer en présence d'un catalyseur ou d'une source de chaleur. Quelques moteurs fonctionnant principalement au Peroxyde d'hydrogène ont vu le jour aux débuts de l'ère spatiale, ils sont encore utilisés dans la construction amateur.
Moteurs à triergols
Ce type de moteur utilise non pas deux ergols mais trois afin d'optimiser le compromis entre la poussée et le volume des réservoirs, cette configuration n'est pas opérationnelle. On peut citer par exemple le RD-701 russe, fonctionnant au mélange LOX-LH2-kérosène, qui devait équiper l'avion spatial MAKS.
