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La colonisation de l'espace
Performances des propulseurs (IV) Comment fonctionne le moteur d'une fusée ou d'une navette spatiale ? Ce genre de vaissseau pesant extrêment lourd et devant s'extraire de l'attraction terrestre dans une atmosphère dense, il est indispensable de trouver une technologie hybride pouvant à la fois fonctionner dans l'atmosphère et capable de propulser le vaisseau dans le vide. On pense immédiatement aux réacteurs qui équipent les avions-fusées comme le X-15, le X-43A ou des prototypes de longs-courriers. Mais ils sont inadaptés à un vol de longue durée et leur réservoir sont réduits au stricte nécessaire. Il faut donc développer une technologie spatiale particulière, ce que toutes les agences ont réussi à maîtriser au bout de quelques années d'essais et d'erreurs. Les moteurs les plus puissants servent à extraire le vaisseau spatial de l'attraction terrestre. Il s'agit de propulseurs chimiques, à poudre, et ne fonctionnent que quelques minutes, le temps de traverser l'atmosphère. Ils sont ensuites relayés par des moteurs cryogéniques fonctionnant avec de l'hydrogène et de l'oxygène liquide ou de l'hydrazine lorsque le vaisseau atteint l'espace. L’avantage des moteurs à propulsion chimique est d’avoir un énorme rapport poussée/poids qui est idéal pour arracher une fusée de la surface d’un astre comme la Terre. Malheureusement l’accroissement de la poussée spécifique est limité. Si nous désirons atteindre ne fut-ce que 0.1% de la vitesse de la lumière (300 km/s) nous devons obtenir une poussée spécifique de 30000 secondes. Actuellement nous sommes au mieux 42 fois en-dessous de cette valeur ! Nous devons donc nous orienter vers d’autres carburants. Fusée
à poudre et hydrazine Aujourd'hui la navette spatiale utilise plusieurs types de carburants et de moteurs en fonction de la phase de vol. Pour s'arracher de la Terre dont l'attraction est relativement forte (9.81 m/s2), la navette doit pouvoir accélérer très rapidement, en d'autres termes disposer d'un maximum de "puissance" en un minimum de temps et maintenir cette poussée durant quelques minutes, le temps d'atteindre l'exosphère. Mais cela nécessite de stocker le carburant à bord du vaissseau ce qui n'est pas toujours possible. Il y a donc un compromis que les ingénieurs doivent trouver entre d'un côté le poids et le volume d'ergols (carburant et comburant) à embarquer et de l'autre la poussée ou l'impulsion recherchée. A l'heure actuelle le meilleur rapport poussée/poids est assuré par les carburants chimiques (les fusées à poudre ou SRM - solid rocket motor - dont le carburant est constitué d'un mélange de butadiène, d'acide acrylique, de perchlorate d'ammonium, d'aluminium et de nitrate de potassium). Ce mélange offre une impulsion spécifique de l'ordre de 265s, ce qui est plus de 2.5 fois supérieur aux performances de la nitroglycérine. Mais ce carburant occupe énormément de place. Avantage, cette "poudre blanche" est capable d'arracher pratiquement n'importe quel vaisseau à l'attraction terrestre. Ce carburant est utilisé dans les deux fusées d'appoint qui sont attachées au réservoir principal de la navette. Le gros réservoir extérieur contient de l'hydrogène (LH2) et de l'oxygène liquide (LOX) car ce type d'ergol réduit d'environ mille fois le rapport de masse tout en offrant une vitesse d'éjection presque deux fois supérieur aux carburants chimiques. Cet ergol cryogénique est conduit aux moteurs à raison de 178000 litres d'hydrogène et 64000 litres d'oxygène par minute ! Bien évidemment, comme pour la poudre son inconvénient est sa consommation. A ce taux, au bout de quelques minutes tous les réservoirs extérieurs de la navette sont vides. Inutiles, ils sont abandonnés pour gagner du poids et ils retombent dans l'océan où le tank externe est récupéré puis reconditionné pour un prochain vol. Propulsée par son impulsion initiale, la navette peut enfin quitter l'atmosphère mais elle subit encore son attraction car elle n'a pas atteint les 9.81 m/s2 nécessaires pour s'affranchir de la force gravitationnelle terrestre. A consulter sur CAPCOMESPACE : Le Space Transportation System STS
Lorsque les réservoirs son pratiquement vides et la navette arrivée dans l'espace à près de 28000 km/h (7.8 km/s), les ordinateurs de bord coupent ses moteurs principaux (les moteurs cryogéniques SSME ou Space Shuttle Main Engines) et enclenchent les moteurs à hypergols (les OMS localisés dans les deux grosses "bosses" situées près de la dérive verticale arrière et les RCS situés sur les OMS et de chaque côté de l'Orbiter). Ceux-ci fonctionnent à l'hydrazine, un composant de la famille H2N-NH2, c'est-à-dire du monométhilhydrazine (MMH) ou du diméthilhydrazine asymétrique (UDMH) ou encore un mélange des deux appelé aérozine. Ce carburant équipait déjà les capsules Apollo, le module lunaire et équipe aujourd'hui les satellites ainsi que la navette pour assurer les petites corrections orbitales. L'hydrazine utilise comme comburant (oxydant) du tetro et peroxyde d'azote (N2O4). Son principal avantage est sa fiabilité : il brûle (ou plutôt détonne) spontanément dès qu'on l'injecte dans la chambre de combustion. Techniquement ce type de moteur à hypergol est également plus simple à construire car il ne nécessite pas de chambre pressurisée, pas de turbopompe, ni d'allumeur, etc. En revanche, l'hydrazine est corrosif, toxique et même cancérigène... Si vous avez déjà marché sur le tarmac d'un aéroport vous devez certainement vous rappeler son odeur caractéristique. En principe la charge utile embarquée à bord de la navette est dimensionnée par rapport à l'altitude de la mise en orbite avec un maximum de 104% du taux de puissance nominale, sachant que chaque moteur développe une poussée de 1734803 Newtons (1 N=0.981 Kg) au niveau de la mer mais durant quelques minutes seulement. Globalement, au décollage la navette spatiale développe une poussée globale de 1360 tonnes dont 2x 1315t durant 2m2s pour les fusées à poudre et 3x 170 tonnes durant 8m30s pour les moteurs cryogéniques à hypergol liquide. En cas d'urgence les moteurs de la navette sont capables de fonctionner à pleine puissance, "full power" ou puissance militaire, ce qui signifie dans le jargon de la NASA à 109% de la puissance nominale !
Les moteurs du futur Aujourd'hui les propulseurs électriques (ioniques)[10] sont 5 à 10 fois plus performants que leurs homologues chimiques. Le principe consiste à ioniser un gaz en le chauffant fortement. Les ions sont alors accélérés à grande vitesse par le champ magnétique avant d’être expulsés dans le vide. Ils conviennent dans des environnements gazeux à faible pression et bien sûr dans le vide. Ils ne peuvent donc convenir pour arracher une fusée à l’attraction planétaire ou la faire atterrir. Ce type de moteur équipe actuellement avec succès les nouvelles sondes Deep Space du programme New Millenium de la NASA. Les propulseurs à plasma, dits lasers, offrent une poussée trois fois supérieure à celle des meilleurs pergols mais nécessitent une puissance considérable. De plus, ils demandent deux impulsions : la première vaporise le propergol tandis que la seconde transforme ce gaz en plasma. Sa dilatation brusque provoque un choc en retour qui exerce une force sur le vaisseau. Mais il convient de l’amortir si l’on veut préserver le bien être de ses occupants. Quant aux voiles stellaires, elles utilisent la pression de radiation exercée par le Soleil ou les étoiles (flux de protons, leptons, etc) sur un grand film aluminisé déployé dans l’espace. Elles permettraient d’atteindre quelques kilomètres par seconde et de modifier une trajectoire. Elles ne conviendraient que pour l’approche d’un système planétaire à faible vitesse.
Un autre projet promu à un bel avenir est le RamJet de Robert Bussard, chercheur au Laboratoire scientifique de Los Alamos. Il s’agit d’un vaisseau atteignant 500 m de longueur et muni à l’avant d’une immense parabole magnétique pour collecter la matière interstellaire. Le flux d’ions est ensuite dirigé vers un réaction à fusion qui l’éjecte à grandes vitesses. Bussard calcula qu’un vaisseau d’une masse de 1000 tonnes, rencontrant une densité de protons de l’ordre de 109/m3 et utilisant un moteur à fusion 100% efficace, pourrait accélérer presque indéfiniment à 1 g. D’une vitesse initiale de l’ordre de quelques dizaines de km/s, le RamJet pourrait approcher la vitesse de la lumière en moins d'une année ! A lire : Vasimr, moteur magnétoplasmique à impulsion spécifique variable Un moteur à plasma fabriqué par Ad Astra Rocket
La propulsion nucléaire telle qu’elle est présentée dans le film "Deep Impact" de M.Leder sortit en 1998 remonte à une idée qui germa dans l’esprit de Theodore Taylor durant l’âge d’or du nucléaire, en 1958, alors qu’il travaillait lui aussi à Los Alamos. Freeman Dyson sera son coéquipier ainsi que quelques autres ténors. Baptisé ORION, il s’agissait d’un programme de recherche très sensible
qui resta longtemps entre les mains du Département de la Défense américain,
puis il fut transféré à l’US Air Force pour finalement revenir à la NASA.
Le projet ORION consistait en un vaisseau spatial
de 125 m de longueur à propulsion nucléaire. Des
explosions nucléaires répétées de bombes à fission devaient donner une impulsion suffisante au
vaisseau pour franchir les espaces interstellaires. Mais le principal problème
était le stockage du combustible, l’amortissement des chocs et le risque
potentiel qu’encourait l’équipage; une erreur et c’était Hiroshima !
Techniquement
parlant ORION devait produire une poussée spécifique de l’ordre de 2 à 6000
secondes avec une évolution possible au fil des générations jusqu’à 20000
secondes. Chaque impulsion nucléaire devait produire une énergie de 0.01 à 10
kT et devait se répéter toutes les 1 à 10 secondes. Le
projet bien que très ambitieux resta marginal. Il coûta 11 millions de dollars (de 1965) et occupa 40 personnes à
temps-plein durant 7 ans. Mais il fut abandonné par manque d’intérêt des
politiques, de la forte compétition qu’offrait les fusées conventionnelles
et surtout par la signature en 1963 du moratoire international qui interdisait
les explosion nucléaires dans l’espace pour la sécurité des missions
spatiales. Aujourd’hui ORION repose au Musée américain Smithsonian de
l’Air et de l’Espace. Selon Taylor, ce projet a vécu : “nous
avons beaucoup mieux qu’ORION” disait-il à un journaliste en pensant à
la propulsion électrique des sondes Deep Space.
Si
l’explosion de bombes dans l’espace est bannie, la fusion contrôlée est
une autre solution pour effectuer les approches planétaires à vitesse réduite,
en utilisant les propulseurs ioniques puis chimiques. C’est la solution adoptée
pour le projet de vaisseau spatial Daedalus
imaginé par Alan Bond[11],
ingénieur chez Rolls-Royce, et ses collègues de la British Interplanetary
Society dans les années 1970. Daedalus est propulsé par de l’hélium-3 qui,
par fusion nucléaire, pourrait produire une poussée spécifique de 106
secondes, une énergie nécessaire pour propulser le vaisseau de 54000 tonnes
vers l’étoile de Barnard à 12% de la vitesse de la lumière. Mais le projet
ne vit jamais le jour. Seule consolation, en 1988 des ingénieurs et des étudiants
du MIT construisirent un petit Daedalus de 35 kg, mais il ne s’envola jamais. La propulsion à l'antimatière Pour atteindre une vitesse voisine de celle de la lumière, le vaisseau doit disposer d’une poussée spécifique aussi grande que possible, de l’ordre de 3x107 secondes. La propulsion à l'antimatière permet de l’obtenir en annihilant des micros grains de matière et d’antimatière. Selon le physicien Robert L.Forward[12] qui travailla sur cette idée, près de la moitié de l’énergie d’annihilation pourrait être transférée à la propulsion. Quand on se rappelle l'énergie que peut dégager une bombe atomique par simple fission ou fusion nucléaire, on peut imaginer la puissance de cet type de propulsion. La réaction
produit des rayons gamma qui se déplacent à la vitesse de la lumière.
Correctement canalisés par des conduits à supraconducteurs, le vaisseau
pourrait ainsi naviguer à travers l’univers à une vitesse voisine de celle
de la lumière.
Seuls désavantages, aujourd’hui la production d’antimatière, des
antiprotons par exemple, coûte énormément d’argent - plusieurs milliards de
dollars pour un milligramme -, un système de confinement très complexe et
beaucoup d’énergie. Avantage, ce type de propulsion produit 1000 fois plus
d’énergie que la fission nucléaire et 100 fois plus que les réacteurs à
fusion. 10 milligrammes d’antiprotons pourraient ainsi remplacer l’énergie
produite par 200 tonnes de carburant liquide (1.8 x1012
J). Mais nous sommes encore loin du temps où nous pourrons réserver notre
ticket dans une boutique de la NASA pour un vol à l'antimatière vers la nébuleuse
de la Lagune !
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