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La colonisation de l'espace

Les modes de propulsion (III)

Si nous voulons conquérir le ciel et explorer la Galaxie, il faut bien avouer que les voyages interstellaires[9] proprement dit, comme ils sont relatés dans les romans de science-fiction et les films à grands spectacles restent encore utopiques.

Les principaux problèmes se rapportent au moyen de propulsion, à la protection face aux radiations cosmiques et aux collisions avec les astéroïdes. Les collisions peuvent facilement être anticipées et évitées au moyen d'un système de navigation couplé à des radars comme nos véhicules en sont déjà équipés mais dans une version à plus grande échelle et adaptée au vol sidéral. La protection peut facilement être réalisée au moyen de panneaux de protections épais de quelques centimètres, des canons lasers directionnels et des boucliers de plasma. Si on applique ces technologies à des vaisseaux habités de la dimension d'une station spatiale, ces projets représentent déjà un budget faramineux que rien ne justifie aujourd'hui à part un goût irréaliste pour la démesure.

Le mode de propulsion est un moyen plus complexe à maîtriser. Il tout d’abord préciser que le but d’un moteur fusée n’est pas de pousser le vaisseau “contre quelque chose”. Le meilleur rendement d’une fusée se produit dans le vide plutôt que dans l’atmosphère d’une planète. En effet, dans le vide les gaz peuvent être éjectés à grandes vitesses et sans résistance du milieu. En outre le mouvement du vaisseau n’est pas contrecarré par le retard pris par la dynamique des gaz.

Il existe fondamentalement six types de propulsions "classiques", par opposition aux solutions exotiques (trou de ver, etc) :

- La propulsion chimique (à pergol liquide)

- La voile solaire (pression de radiation)

- La propulsion à plasma (électromagnétique ou laser)

- La propulsion électrique (effet hall ou à grille)

- La propulsion nucléaire (thermique ou au moyen de bombes atomiques)

- La propulsion à l'antimatière.

Les différents type de propulsion

La propulsion chimique

La voile solaire

La propulsion laser

La propulsion ionique

La propulsion nucléaire thermique

La propulsion à l'antimatière (ICAN1)

Documents NASA, Pat Rawlings, Bill Gleason et PSU

En astronautique le rapport poids/poussée reste un problème crucial. Nous savons tous que plus une voiture est lourde pour une certaine puissance, plus son inertie sera difficile à vaincre; les accélérations seront plus lentes et sa vitesse de croisière sera plus difficile à atteindre. En astronautique, l’accélération est d’autant plus forte que la vitesse d’éjection de la matière est élevée. Si on songe explorer la Voie Lactée en l’espace de quelques dizaines d’années à une vitesse relativiste, il faut garantir une vitesse de croisière suffisante.

Mais pour garantir cette vitesse de croisière et pouvoir la modifier lors des approches planétaires, deux formules doivent être considérées : l’impulsion ou la poussée spécifique (1) et la quantité d’énergie émise (2).

La poussée spécifique

 q = Fp / Ve        (1)

 L’énergie émise

Es = Fp x Ve/2         (2)

Avec,

Fp : la poussée spécifique

q   : la masse des propergols expulsés

Ve : la vitesse d’éjection

Vecteur 

Poussée  

(en Newton, 1N=0.981 Kg) 

Sonde Cassini-Huygens :

2 x 445

Missile V2 :

2.4 x 104  

Fusée Véronique :

4 x 104  

Fusée Titan-Centaure :

2 x 106

Fusée Proton :

4.7 x 106

Fusée Ariane-V :

1.3 x 107  

Navette spatiale :

 3 x 107

Fusée Saturn V :

3.3 x 107

Daedalus (projet) :

1.3 x 1011

La force exercée par un moteur-fusée est proportionnelle à la masse de propergol consommé. La poussée de Daedalus correspond à l’explosion de 15500 bombes d’Hiroshima chaque minute. 

La première formule intéresse la logistique car elle détermine la quantité de matière à embarquer. La vitesse d’éjection se trouvant au dénominateur de l’équation (1), plus la vitesse d’éjection est élevée, plus le rendement sera efficace et moins on puisera dans le stock de propergols. Mais l’équation (2) vient tempérer notre ardeur. En effet, à poussée constante, si la vitesse d’éjection de la matière est maximale, la quantité d’énergie émise sera aussi maximale.

Lors d’une manoeuvre, qu’il s’agisse d’un décollage, d’un atterrissage ou d’un changement de cap, l’énergie développée par les moteurs n’est pas totalement emportée par la matière éjectée. Une partie doit être dissipée et il est à craindre qu’au-delà de quelques milliers de degrés, le réacteur nucléaire se consumera...

Une solution consiste à mettre au point des systèmes de confinement constitués de parois de plasma et de conduits magnétiques à supraconducteurs. Seul inconvénient, l’énergie requise pour contrôler ces dispositifs est très importante et nécessite une installation qui, aujourd’hui, reste très volumineuse. 

Rapport de masse et vitesse finale

R  =   (Mv + Mp ) / M

Avec Mv : La masse du véhicule

Mp : la masse du fluide propulsif

Rn  = eΔV/Ve

Avec n   : nombre d’étages de la fusée

ΔV : vitesse d’émission du carburant


Dans une fusée à étages, la vitesse finale multiplie par “n” la vitesse d’une fusée simple de rapport de masse R . Toutefois la pénalité de cette configuration est une énorme masse totale au décollage.

Exemples:

Vaisseau

R

Vitesse atteinte

(rapport de la vitesse d'éjection)

Vaisseau au repos

1

0

Vaisseau en mouvement

2

0.69

Navette spatiale

4

1.39

Autre

6

1.79

Autre

8

2.08

Autre

10

2.30


Variation de vitesse

ΔV = Ve ln (Mi / Mf )

Vitesse d’éjection

  Ve  =  Is g

Avec Ve : vitesse d’éjection             

Is  : impulsion spécifique

Mi : masse initiale (structurelle) de la fusée                           

Mf : masse finale de la fusée

g   : accélération de la pesanteur, 9.81 m/s/s

La nature logarithmique de l'équation de gauche augmente très lentement avec l'argument (Mi / Mf). ΔV n’augmente que d’un facteur 3 lorsque le rapport des masses augmente d’un facteur 100 ! Le rapport de masses (Mi /Mf) est dénommé R.

Nous connaissons les avantages et les désavantages des moteurs chimiques, à pergol liquide depuis avant-guerre. Leur principal défaut est de nécessiter des réservoirs très encombrants s’il s’agit de fusées à étages et un haut niveau de sécurité. Techniquement la poussée spécifique est limitée à une dizaine de minutes, le mélange idéal hydrogène-fluorine n’offrant qu’une poussée spécifique de 528 secondes.

Certains carburants exotiques tel l’hélium métastable permettrait d’augmenter cette poussée d’un facteur 4, mais pas supérieur. Au-delà, il faut envisager la propulsion ionique qui permet actuellement d'atteindre une impulsion spécifique variant entre 3100 s (moteur NSTAR de la sonde Deep Space 1) et 4100 s (moteur NEXT) ou la propulsion à plasma qui atteint des valeurs nettement plus élevées.

Prochain chapitre

Performances des propulseurs

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[9] E.Mallore/G.Matloff,“The Starflight Handbook. A Pioneer’s Guide to Interstellar Travel”, John Wiley & Sons, 1989.


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