Comment fonctionnent les fusées

Comment fonctionne une fusée à propergol solide

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Les fusées à propergol solide incluent toutes les anciennes fusées de feu d'artifice, cependant, il existe maintenant des carburants, des conceptions et des fonctions plus avancés avec des propergols solides.

Propulseur solide les fusées ont été inventées avant les fusées à carburant liquide. Le type de propergol solide a commencé avec les contributions des scientifiques Zasiadko, Constantinov et Congrève . Désormais dans un état avancé, les fusées à propergol solide restent largement utilisées aujourd'hui, y compris les moteurs d'appoint doubles de la navette spatiale et les étages d'appoint de la série Delta.

Comment fonctionne un propergol solide

La surface est la quantité de propulseur exposée aux flammes de combustion intérieures, existant en relation directe avec la poussée. Une augmentation de la surface augmentera la poussée mais réduira le temps de combustion puisque le propulseur est consommé à un rythme accéléré. La poussée optimale est généralement une poussée constante, qui peut être obtenue en maintenant une surface constante tout au long de la combustion.

Des exemples de conceptions de grains à surface constante comprennent: la combustion d'extrémité, la combustion du noyau interne et du noyau externe et la combustion du noyau en étoile interne.

Diverses formes sont utilisées pour l'optimisation des relations grain-poussée puisque certaines fusées peuvent nécessiter une composante de poussée initialement élevée pour le décollage tandis qu'une poussée plus faible suffira à ses exigences de poussée régressive après le lancement. Les motifs de noyau de grain compliqués, pour contrôler la surface exposée du carburant de la fusée, ont souvent des pièces recouvertes d'un plastique ininflammable (comme l'acétate de cellulose). Cette couche empêche les flammes de combustion interne d'enflammer cette partie du carburant, qui ne s'enflamme que plus tard lorsque la combustion atteint directement le carburant.

Impulsion spécifique

Lors de la conception de l'impulsion spécifique du grain propulseur de la fusée, il faut tenir compte car il peut s'agir de la différence de défaillance (explosion) et d'une fusée produisant une poussée optimisée avec succès.

Fusées modernes à combustible solide

Avantages désavantages

• Une fois qu'une fusée solide est allumée, elle consommera la totalité de son carburant, sans aucune option d'arrêt ou de réglage de la poussée. La fusée lunaire Saturn V a utilisé près de 8 millions de livres de poussée qui n'auraient pas été réalisables avec l'utilisation d'un propulseur solide, nécessitant un propulseur liquide à impulsion spécifique élevée.
• Le danger impliqué dans les carburants prémélangés des fusées à monergol, c'est-à-dire parfois la nitroglycérine est un ingrédient.

Un avantage est la facilité de stockage des fusées à propergol solide. Certaines de ces roquettes sont de petits missiles tels que Honest John et Nike Hercules ; d'autres sont de gros missiles balistiques tels que Polaris, Sergeant et Vanguard. Les propulseurs liquides peuvent offrir de meilleures performances, mais les difficultés de stockage et de manipulation des propulseurs liquides proches du zéro absolu (0 degrés Kelvin ) a limité leur utilisation, incapable de répondre aux exigences strictes que l'armée exige de sa puissance de feu.

Les fusées à carburant liquide ont été théorisées pour la première fois par Tsiolkozski dans son 'Investigation of Interplanetary Space by Means of Reactive Devices', publié en 1896. Son idée s'est concrétisée 27 ans plus tard lorsque Robert Goddard a lancé la première fusée à carburant liquide.

Les fusées à carburant liquide ont propulsé les Russes et les Américains au plus profond de l'ère spatiale avec les puissantes fusées Energiya SL-17 et Saturn V. Les fortes capacités de poussée de ces fusées ont permis nos premiers voyages dans l'espace. Le «pas de géant pour l'humanité» qui a eu lieu le 21 juillet 1969, alors qu'Armstrong a marché sur la lune, a été rendu possible par les 8 millions de livres de poussée de la fusée Saturn V.

Comment fonctionne un propulseur liquide

Deux réservoirs métalliques contiennent respectivement le carburant et le comburant. En raison des propriétés de ces deux liquides, ils sont généralement chargés dans leurs réservoirs juste avant le lancement. Les réservoirs séparés sont nécessaires, car de nombreux combustibles liquides brûlent au contact. Lors d'une séquence de lancement définie, deux vannes s'ouvrent, permettant au liquide de s'écouler dans la tuyauterie. Si ces soupapes s'ouvraient simplement pour permettre aux ergols liquides de s'écouler dans la chambre de combustion, un taux de poussée faible et instable se produirait, de sorte qu'une alimentation en gaz sous pression ou une alimentation de turbopompe est utilisée.

La plus simple des deux, l'alimentation en gaz sous pression, ajoute un réservoir de gaz à haute pression au système de propulsion. Le gaz, un gaz non réactif, inerte et léger (comme l'hélium), est maintenu et régulé, sous pression intense, par une vanne/détendeur.

La deuxième solution, souvent préférée, au problème de transfert de carburant est une turbopompe. Une turbopompe a le même fonctionnement qu'une pompe ordinaire et contourne un système sous pression de gaz en aspirant les propulseurs et en les accélérant dans la chambre de combustion.

Le comburant et le carburant sont mélangés et enflammés à l'intérieur de la chambre de combustion et une poussée est créée.

Oxydants et carburants

Avantages désavantages

Malheureusement, le dernier point rend les fusées à propergol liquide compliquées et complexes. Un véritable moteur moderne à biergol liquide possède des milliers de connexions de tuyauterie transportant divers fluides de refroidissement, de ravitaillement ou de lubrification. De plus, les différentes sous-parties telles que la turbopompe ou le régulateur sont constituées de vertiges séparés de tuyaux, de fils, de vannes de régulation, de jauges de température et d'entretoises de support. Compte tenu des nombreuses parties, le risque qu'une fonction intégrale échoue est grand.

Comme indiqué précédemment, l'oxygène liquide est le comburant le plus couramment utilisé, mais il a aussi ses inconvénients. Pour atteindre l'état liquide de cet élément, une température de -183 degrés Celsius doit être obtenue - des conditions dans lesquelles l'oxygène s'évapore facilement, perdant une grande quantité d'oxydant juste pendant le chargement. L'acide nitrique, un autre oxydant puissant, contient 76% d'oxygène, est à l'état liquide à STP et a une forte gravité spécifique ―tous de grands avantages. Ce dernier point est une mesure similaire à la densité et, à mesure qu'il augmente, les performances du propulseur augmentent également. Mais, l'acide nitrique est dangereux à manipuler (le mélange avec de l'eau produit un acide fort) et produit des sous-produits nocifs lors de la combustion avec du carburant, son utilisation est donc limitée.

Développés au IIe siècle avant J.-C., par les anciens Chinois, les feux d'artifice sont la forme de fusée la plus ancienne et la plus simpliste. À l'origine, les feux d'artifice avaient des fins religieuses, mais ont ensuite été adaptés à un usage militaire au Moyen Âge sous la forme de « flèches enflammées ».

Au cours des Xe et XIIIe siècles, les Mongols et les Arabes apportèrent en Occident l'essentiel de ces premières fusées : poudre à canon . Bien que le canon et le pistolet soient devenus les principaux développements depuis l'introduction orientale de la poudre à canon, des roquettes en ont également résulté. Ces roquettes étaient essentiellement des feux d'artifice agrandis qui propulsaient, plus loin que l'arc long ou le canon, des paquets de poudre à canon explosive.

Au cours des guerres impérialistes de la fin du XVIIIe siècle, le colonel Congreve a développé ses célèbres fusées, qui parcourent des distances de quatre miles. Le 'rockets' red glare' (hymne américain) enregistre l'utilisation de la guerre des roquettes, dans sa première forme de stratégie militaire, au cours de la bataille d'inspiration de Fort Mc Henry .

Comment fonctionnent les feux d'artifice

Une mèche (ficelle de coton enduite de poudre à canon) est allumée par une allumette ou par un 'punk' (un bâton en bois avec une pointe rougeoyante semblable à du charbon). Ce fusible brûle rapidement dans le noyau de la fusée où il enflamme les murs de poudre à canon du noyau intérieur. Comme mentionné précédemment, l'un des produits chimiques de la poudre à canon est le nitrate de potassium, l'ingrédient le plus important. La structure moléculaire de ce produit chimique, KNO3, contient trois atomes d'oxygène (O3), un atome d'azote (N) et un atome de potassium (K). Les trois atomes d'oxygène emprisonnés dans cette molécule fournissent « l'air » que la fusée et la fusée ont utilisé pour brûler les deux autres ingrédients, le carbone et le soufre. Ainsi le nitrate de potassium oxyde la réaction chimique en libérant facilement son oxygène. Cette réaction n'est cependant pas spontanée et doit être initiée par la chaleur comme l'allumette ou le « punk ».