Moteur-fusée

Si le principe de propulsion par la transformation d'énergie chimique en énergie cinétique est connu depuis l'Antiquité et les pièces d'artifice propulsées par poudre à canon depuis le IX^e siècle, les moteurs à ergols liquides ne sont connus que depuis la fin du XIX^e siècle. Ce n'est que dans les années qui suivirent la Seconde Guerre mondiale que les moteurs à poudre et à ergols liquides prirent leur place, pour la propulsion de missiles et de fusées spatiales. Depuis, on n'a cessé de les perfectionner et au début du XXI^e siècle, leur emploi reste primordial pour la propulsion spatiale. Afin de pallier leur défauts, on recherche des solutions alternatives, par exemple pour la propulsion de sondes spatiales ou l'accélération atmosphérique par d'autres moteurs, plus ou moins proches : superstatoréacteur, moteur ionique ou VASIMR.

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-fusées :

• l'Impulsion spécifique, exprimée en secondes, mesure la durée pendant laquelle un kilogramme d'ergol fournit une poussée d'un kilogramme-force, soit 9,80665 N. Plus elle est élevée, meilleur est le rendement massique du système, en termes de force exercée ; cependant, c'est la quantité de mouvement transmise au véhicule qui importe, de sorte que l'optimum énergétique ne s'obtient pas en maximisant l'impulsion spécifique.

Domaine de vol (vitesse en mach) et rendement (Impulsion spécifique) des différents types de moteurs à réaction. Le moteur-fusée a le domaine de vol le plus étendu mais le rendement le plus faible.

• le débit massique, correspondant à la masse d'ergols consommée par unité de temps ;
• la vitesse d'éjection des gaz, dont dépend indirectement la vitesse atteinte par le véhicule.

${\displaystyle V_{e}={\sqrt {\;{\frac {T_{0}\;R}{M}}\cdot {\frac {2\;\gamma }{\gamma -1}}\cdot {\bigg [}1-(P_{e}/P_{0})^{(\gamma -1)/\gamma }{\bigg ]}}}}$

où:
${\displaystyle V_{e}}$	=  vitesse de sortie du flux, m/s
${\displaystyle T_{0}}$	=  température totale du fluide, K
${\displaystyle R}$	=  constante universelle des gaz parfaits = 8,3145 J/(mol·K)
${\displaystyle M}$	=  masse molaire des ergols, kg/mol
${\displaystyle \gamma }$	=  ${\displaystyle c_{p}/c_{v}}$ = rapport des capacités thermiques
${\displaystyle c_{p}}$	=  Capacité thermique massique du gaz à pression constante
${\displaystyle c_{v}}$	=  Capacité thermique massique à volume constant
${\displaystyle P_{e}}$	=  pression statique de sortie en pascals
${\displaystyle P_{0}}$	=  pression totale du gaz en pascals

• La poussée, mesuré en newtons est calculée ainsi :

${\displaystyle F_{n}={\dot {m}}\;V_{e}+A_{e}(P_{e}-P_{amb})}$

où:

${\displaystyle {\dot {m}}=\,}$débit massique en kilogrammes par seconde (kg/s)

${\displaystyle V_{e}=\,}$vitesse de sortie en mètres par seconde

${\displaystyle A_{e}=\,}$aire du flux à la sortie en mètres carrés (m²)

${\displaystyle P_{e}=\,}$pression statique de sortie en pascals (Pa)

${\displaystyle P_{amb}=\,}$pression ambiante en pascals

• Le rapport poids/poussée, qui représente le poids du moteur sur sa poussée. Plus le moteur est léger et plus sa poussée est importante, plus son rapport est avantageux.

Il s'agit du modèle le plus simple et nécessitant très peu de moyens et de soins, les ergols solides pouvant être entreposés plusieurs années, faciles à transporter et peu chers. Pour toutes ces raisons, on le retrouve dans la plupart des missiles tactiques et balistiques et dans les propulseurs d'appoint. On utilise le terme de propergol pour désigner un mélange oxydant/réducteur autonome de ce type de moteur.

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 brule "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, en étoile, en U ou rond.

Schéma d'un moteur à poudre

Les propergols les plus courants sont :

• poudre noire, très souvent utilisée dans la construction amateur.
• Monergol à base de nitrocellulose, amélioré par l'ajout d'aluminium.
• Nitrate d'ammonium, souvent mélangé avec de la poudre d'aluminium.
• Perchlorate d'ammonium
• Zinc-Soufre

D'autres combinaisons peuvent être réalisées, dans la plupart des cas, avec un ou plusieurs des éléments cités ci-dessus.

Pour donner un exemple de la complexité réelle (au-delà des informations de base données plus haut), dans le cas, très médiatisé, des propulseurs d'appoint de la navette spatiale américaine, la mixture d'ergol dans chaque moteur de propulseur 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

Ces moteurs (par exemple booster d'Energia) 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. En 2011, pratiquement tous 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.

Schéma de fonctionnement d'un moteur-fusée à ergols liquides classique.

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.

Moteurs à lithergols (propulsion hybride)

Schéma d'un moteur à lithergols

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.