LANCEURS , FUSEES

Allô! Halo! Алло! Pronto! Halla! Met! Haluo! Det! Moshi Moshi! Tak! Allô ooo! ….

« Envoi moi ta localisation » ; « le match de football ce soir passe sur quel canal? »

Chaque jour, nous prononçons ces phrases et ces mots. Si nous le fesons, c’est tout simplement parce qu’il y’a des satellites artificiels qui orbitent autour de la terre . Mais comment ces satellites ont-ils fait pour se retrouver là-bas?

Pour y parvenir, on a besoin d’une fusée qu’on appelle communément lanceur.

1. ORIGINE

A la base , les missiles et les lanceurs sont pareils. Ils se différencient avec la charge utile; pendant que les missiles transportent les armes, les lanceurs ou les fusées transportent des satellites, du cargo, les sondes , les vols habités ( navettes spatiales avec des hommes ) … En anglais le missile et la fusée se dit de la même manière « Rocket », et en russe aussi « ракета (racketa) ».

Depuis des siècles, les hommes observent les étoiles et l’espace et ont l’ambition de l’explorer.

En 1897, le célèbre ingénieur aéronautique russe Constantin TSIOLKOVSKI (1857-1935) publie l’équation du principe fondamental de l’astronautique. L’énoncé du principe fondamental de l’astronautique est le suivant :

 » la variation de vitesse de l’astronef (fusée, navette spatiale, satellite…) entre la fin et le début de la phase propulsée notée delta-V est égale à la vitesse d’éjection des gaz du moteur multiplié par le logarithme néperien du rapport entre la masse initiale et la masse finale de l’astronef au début et à la fin de la phase propulsée, le tout moins la racine carrée de 2 fois la pesanteur multipliée par la différence entre la hauteur à satelliser et la hauteur de départ de la fusée « 

Concrètement, on peut traduire cette formule en disant que pour se soustraire de la gravité terrestre jusqu’à l’orbite basse de la terre (environ 250km), on doit au moins avoir une accélération de 10km/s. Cette orbite peut être une orbite de transfert ou définitive. Pour cela, la structure de la fusée doit représenter entre 4% et 10% de la masse totale de la fusée. Au delà de 10%, c’est carrément impossible de satelliser un objet, car on ne pourra pas s’échapper de la gravité terrestre.

En orbite basse, les astronefs orbitent à une vitesse d’environ 7,9 km/s ( moins que les 10km/s pour les placer en orbite), et en orbite géostationnaire leur vitesse orbitale est d’environ 3,1km/s.

En général tous les astronefs sont placés en orbite basse, et de là, grâce à l’orbite de transfert de hohmann, ils peuvent changer d’orbites autant de fois en dépensant moins d’énergie. Par convention, la ligne de Karma marque la frontière de l’atmosphère terrestre et l’espace à 100km d’altitude.

TSIOLKOVSKI meurent à 78 ans sans jamais réaliser ses rêves (construire des fusées, tout était resté sur sa planche de dessin; mais il avait déjà tout inventé… les fusées à étages, les ergols liquides , les stations spatiales, le voyage sur la lune …); mais ses travaux vont aider la génération suivante, à l’instar de l’ukrainien Sergueï KOROLEV qui a été le fondateur et l’ingénieur en chef du programme spatial Soviétique qu’il pilotait d’une main de fer (pour des raisons de sécurité son nom a été dévoilé au monde presqu’à la fin de sa vie, car connu sur le nom de l’ingénieuren chef); Valentin GLOUCHKO qui était le principal constructeur Soviétique des moteurs fusées ; et surtout l’allemand Wernher VON BRAUN qui a construit la Saturn V qui a permis aux américains de poser les hommes sur la lune avec le programme apollo et qui avait en charge la gestion du programme spatial Américain.

2. LES PREMIÈRES FUSÉES

A partir de 1935, grâce à ses ingénieurs, les allemands ont une avance technologique considérable sur le reste du monde, en le disant on est juste modeste , parceque technologiquement, les allemande étaient à des années lumières des autres … ils étaient déjà les premiers et les seuls à développer et utiliser les fusées, les moteurs à réactions pour les avions et fusées, les centrales nucléaires, les sous-marins, etc….

Pendant la deuxième guerre mondiale, Wernher VON BRAUN pilote le programme des premiers missiles au monde, les V2 que l’Allemagne utilisait pour bombarder Londres. A la base, les ingénieurs allemands qui concevaient le V2 le faisait pour aller dans l’espace, mais pour les raisons de financement, ils étaient obligés de céder aux exigences des militaires qui étaient les seuls ayant acceptés de financer leurs projets, dès lors le lanceur devait plutôt être un missile. Les ingénieurs allemands avaient même déjà conçu une navette spatiale qui, propulsée dans l’espace devait aller bombarder les États-Unis et revenir. N’eût été l’ego de Hitler qui renvoyait la réalisation des projets de ses ingénieurs à la fin de la guerre, nous parlons tous allemand aujourd’hui.

A la fin de la deuxième guerre mondiale, vu l’avance technologique considérable des allemands, les Américains et les Soviétiques se partagent les ingénieurs allemands dans tous les domaines. Du coup, on à Wernher VON BRAUN qui se retrouve aux États-Unis grâce à l’opération paperclip qui débute en 1945 où plus de 1600 ingénieurs, scientifiques et techniciens allemands sont emmenés aux États-Unis. Et en 1946 ce sont les Soviétiques qui emboîtent le pas des américains avec l’opération Osoaviakhim où près de 2500 ingénieurs, scientifiques et techniciens allemands sont emmenés en Union Soviétiques.

Aux États-Unis on a Wernher VON BRAUN avec la fusée Saturn V qui dirige le programme spatial Américain et en Union Soviétiques on a Sergueï KOROLEV avec la fusée N-1qui dirige le programme spatial Soviétique.

3. COMMENT ÇA MARCHE ?

Le but du lanceur est de transporter la charge utile hors des couches denses de l’atmosphère terrestre jusqu’à environ 200 à 250 km d’altitude, le lancer en lui donnant une vitesse initiale, et à cette altitude, grâce à sa vitesse initiale et la gravité, l’astronef propulsé va orbiter autour de la terre à une vitesse de 7,9 km/s ( environ 28 800 km/h), et grâce à ses propres moteurs, l’astronef change d’orbites avec deux impulsions delta-V.

Pour atteindre ce but, la propulsion des fusées utilisent la 3ème loi de Newton : « lorsqu’un corps A exerce une force sur un corps B, le corps B exercera une force sur le corps A de même grandeur, mais dans le sens opposé. » Du coup, les moteurs brûlent le carburant et le comburant (combustible) en éjectant les gaz à grande vitesse par la tuyère, ce qui produit une force, et simultanément une autre force de même intensité de sens contraire propulse la fusée vers le haut.

Le premier défi à relever est de donner à la fusée une accélération de 10 km/s, pour cela, il faut des moteurs très puissants; jusqu’ici, la technologie de l’homme lui permet de donner une accélération de 4 km/s avec le mélange le plus efficace (hydrogène liquide et le dioxygène liquide). Pour compenser cela, on opte pour la solution des fusées étagées. Le premier étage nous donne une accélération jusqu’à une certaine altitude, lorsque ses réservoirs sont vides, on le sépare de la fusée pour diminuer la masse totale de la fusée ; ensuite le deuxième étage allume ses moteurs et accélère de nouveaux, son accélération s’ajoutant à la première, après épuisement de son carburant il est éjecter à nouveau pour diminuer la masse; ensuite le 3ème étage prend le relais…. ainsi de suite jusqu’à atteindre l’accélération de 10m/s requise.

Pour atteindre cette performance, il faut des moteurs puissants et un carburant adéquat, on utilise les ergols liquides et les ergols solides, le couple le plus performant est l’oxygène liquide qu’il faut maintenir à -182°C et le l’hydrogène liquide qu’il faut maintenir à -253°C avec un rendement de près de 50% supérieur aux autres rendements , mais conserver l’hydrogène à cette température est un autre défi majeure. On a aussi Le couple méthane (-161°C) / oxygène liquide; le couple kérosène (température ambiante) / oxygène liquide mais avec un rendement faible par rapport aux deux premiers couples; etc…

Par exemple, dans la chambre de combustion du moteur RS-25, la température est d’environ 3300°C, supérieure à la température d’ébullition du fer ( contrainte pour le matériau à utiliser); pour essayer de refroidir le moteur, avant de le brûler on fait circuler l’hydrogène à -253°C autour du moteur grâce à une tuyauterie cannelée . Ses turbopompes augmentent la pression de l’oxygène et l’hydrogène avant la combustion…, ce moteur qui fonctionne 520 secondes consomme environ 1 300 litres d’ergols par secondre. Son prix est estimé à 50 millions $.

4. LES COÛTS

Le domaine de l’astronautique est un domaine qui brasse énormément d’argent, pour construire une fusée simple et légère il faut compter au moins 15 millions $. Faire parti de la chaîne d’approvisionnement des constructeurs de fusée et moteurs fusées ou tout simplement l’industrie aérospatiale peut être une option lucrative pour les états et même les particuliers.

NB: dans une vidéo on va expliquer comment fonctionne un moteur fusée et comment on peut choisir d’aller sur mars, sur la lune ou choisir une trajectoire géostationnaire…

Jaures KAM

16/01/2025

Le marché de l’aéronautique présente deux caractéristiques principales. D’une part, il s’agit d’un marché mondialisé qui bénéficie d’un chiffre d’affaires en croissance depuis plusieurs années. Le développement du trafic aérien et la santé financière des compagnies aériennes conditionnent la prise de commande des avions ainsi que le lancement des programmes. Cette liaison forte au trafic aérien expose cependant l’industrie aéronautique à des retournements de conjoncture qui peuvent être parfois brutaux. D’autre part, le marché de l’aéronautique est un marché complexe qui se décompose en trois segments : celui des avions régionaux (inferieur à 100 places), celui des avions d’affaires ou privés (jusqu’à 12 passagers) et enfin celui des avions commerciaux (de 100 à plus de 400 passagers). Cette dernière catégorie comprend encore différents sous-segments selon les critères de distance et/ou de nombre de passagers. Afin de répondre à cette segmentation du marché ainsi qu’aux exigences des compagnies aériennes (consommation, exploitation, maintenance, confort…) et des autorités (respect de l’environnement, sécurité…), les grands constructeurs ont dû trouver de nouvelles solutions pour diversifier leurs produits.  Il convient également de préciser que, en dehors de l’activité de fabrication d’appareils neufs, il existe une importante activité liée à la maintenance aéronautique (entretien et rechange de pièces), en raison de la durée de vie d’un avion qui est de l’ordre de 25 à 30 ans pour un appareil civil et 35 ans pour un avion de fret.

L’industrie aéronautique se présente aujourd’hui comme une filière, au sein de laquelle interviennent de nombreuses entreprises de tailles diverses et qui occupent des positions différentes au sein de la chaîne de production.

Afin de comprendre l’évolution de l’industrie aéronautique, il est aujourd’hui difficile de faire abstraction des contraintes de coordination technique qui conditionnent la conception et la fabrication d’un avion. En effet, un avion n’est pas un simple assemblage d’équipements, de moteurs et de cellules, mais il se présente comme un enchevêtrement complexe de systèmes, de sous-ensembles et de composants. Cette complexité systémique (Simon, 1969) ne provient pas seulement du nombre d’éléments qui composent le produit, mais aussi et surtout de leurs interactions. Le métier d’avionneur ne se limite plus à assembler des composants, il consiste à assurer l’intégration cohérente des différents systèmes et équipements. Dès lors, la question de l’évolution du produit devient l’élément central puisque toute action sur un sous-système constitutif de l’avion peut avoir des conséquences multiples et difficilement prévisibles sur d’autres éléments du fait de ses interactions. Cette complexité systémique a modifié considérablement la manière de concevoir, mais aussi de fabriquer de nouveaux avions.