La sortie de l'atmosphère

 

Se soustraire à l'attraction terrestre

      Les fusées sont actuellement le seul moyen pour l’Homme de pouvoir échapper à la gravité exercée par la Terre. Pour pouvoir décoller, il faut donner à la fusée une vitesse suffisante d’au moins 40 000 km/h qui est appelée « vitesse de libération ». Au-dessous de cette vitesse, la fusée retomberait sur la Terre ou serait satellisée sur une orbite elliptique ou circulaire selon la loi de Kepler.

Décollage d'une fusée Ariane

     La vitesse cosmique : en 1883, l’écrivain russe Konstantin Tsiolkovsky présentait dans son livre intitulé « L’espace libre », les concepts fondamentaux pour la construction de fusées à réaction comme seul et unique moyen de se soustraire à la gravité terrestre. Il introduisait trois vitesses minimales théoriques appelées : « première, deuxième et troisième vitesse cosmique ». La première représente la vitesse de satellisation minimale autour de la Terre (celle qui nous intéresse), cette vitesse qu’il faut théoriquement communiquer à un corps, au départ de la Terre, pour le satelliser autour d’elle en orbite basse (Ionosphère). Cette vitesse est déterminée par la relation :

            -R : rayon de l’orbite, qui est assimilé au rayon terrestre.
            -M : masse de la Terre qui est d’environ 6×10²⁴ Kg.
            -G : constante de gravitation.
      La première vitesse cosmique vaut ainsi :

 

Les moyens utilisés pour se propulser :

     Pour pouvoir se soustraire à la gravité de la Terre, et pour pouvoir voyager dans l’espace, il est nécessaire d’avoir une grande quantité d’énergie. La source d’énergie ainsi que le carburant sont embarqués dans le vaisseau, ce qui représente un défi technique qui est considérable.
      Actuellement, il existe une multitude de systèmes, chacun adapté à une utilisation précise : certains produisent une forte poussée pendant une durée limitée, permettant par exemple d’échapper à la gravité de la Terre. D’autres, produisent une poussée modérée pendant de très longues périodes, ce qui est le cas des voyages interplanétaires.

     Propulsion par réaction : la propulsion engendrée par un moteur fusée est basée sur un principe qui est simple, c’est la troisième loi de Newton, dite de l’action et de la réaction : « tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d’intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B. »

Troisième loi de Newton: action/réaction

     Il existe plusieurs propulsions par réaction :
          -La propulsion chimique : c’est le système qui est actuellement utilisé en majorité, car c’est le seul système qui soit assez développé pour échapper à la gravité terrestre. La poussée marche grâce à une réaction entre un carburant et un comburant (substance qui se combine avec un combustible), qui sont appelés ergols. La réaction produit un gaz sous une très haute pression qui est expulsé par une tuyère afin de produire la force de poussée et ainsi pouvoir propulser le vaisseau.
      Ce système à un gros inconvénient, il nécessite une grande réserve de carburant, car beaucoup de carburant est consommé pour une poussée qui est relativement faible. En plus, le moteur reste assez difficile à réaliser car les composants subissent des contraintes physiques énormes (la tuyère qui doit résister à de très hautes températures atteignant 3300°C).

Fonctionnement d'un moteur chimique

          -La propulsion thermonucléaire : ce système est difficile à mettre en œuvre. Il consiste en une version embarquée d’un réacteur nucléaire, qui est utilisé afin de chauffer de l’hydrogène liquide à plus de 2500°C avant d’être injecté pour pouvoir produire la poussée, de la même manière que la propulsion chimique. Son avantage est de produire une poussée très importante mais cela nécessite un réacteur très lourd, ce qui en fin de compte rend ce système très peu efficace. En outre, les produits éjectés par la tuyère sont hautement radioactifs, ce qui pourrait être la cause d’un désastre écologique si le fonctionnement de ce moteur se faisait depuis la Terre.

          -La propulsion ionique : Certains autres moteurs utilisent une réaction qui n’est pas chimique pour la production de la poussée. Leur puissance est modeste, mais grâce à leur faible consommation, ils permettent une accélération constante et en plus, de très longue durée (ce qui permet d’atteindre de grandes vitesses après une longue accélération).
      Cette propulsion, utilise des ions (des atomes ayant perdu ou gagné des électrons, qui deviennent ainsi chargés) qui sont accélérés par un champ électrique ou un champ magnétique (parfois les deux) afin de créer une force de poussée et donc propulser l’engin.
      Comparés aux moteurs chimiques, les moteurs ioniques produisent une poussée qui est relativement faible, mais qui possède une impulsion spécifique qui est très importante (environ 3000 seconde), ce qui les rend plus intéressants dans les voyages interplanétaires. La propulsion ionique est simple et l’énergie utilisée, l’énergie électrique, est aujourd’hui bien maitrisée par l’Homme. Les systèmes ioniques font l’objet de recherches de pointe, qui aboutissent sur des moteurs de plus en plus performants.

Moteur à Ions et son fonctionnement

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Supporter la sortie de l'atmosphère

      Mis à part les contraintes exercées sur la mécanique des fusées, le décollage crée des contraintes sur le corps des astronautes envoyés dans l’espace. La vitesse étant tellement forte, que la pression sur le corps humain en devient très difficilement supportable. Les différents effets ne sont pas les mêmes, et se répartissent sur plusieurs échelles : -1G : rien n’est ressenti, c'est la pression à la surface de la terre. -2G : on sent la force de gravité doubler, les membres sont difficiles à bouger jusqu’à l’immobilité totale pendant que les G grimpent. -5G : le poids de la tête est multiplié par 500 (pour une tête de 500g, on ressent un poids de 250 kg), charge que le cou n’est pas capable de supporter.

     Les ingénieurs chargés de la conception des navettes, ont conçu les navettes pour aider les astronautes à supporter la sortie de l’atmosphère. Par exemples, ils ont disposé les sièges de telle façon qu’ils deviennent immobiles, et mettent le corps des astronautes face à la direction d’accélération. Cette position permet d’harmoniser la pression sur tout le corps, et non des zones précises du corps. Les matériaux composites qui forment les sièges, diminuent les contraintes exercées, et renforcent les zones vulnérables du corps, comme le cou, les reins.

Capsule avec les sièges en matériaux composites

     L’uniforme orange fluo de la NASA est en réalité une combinaison anti-G. Les combinaisons anti-G ont été créées par l’appui de nombreux scientifiques, qui se sont inspirés de particularités animales, celles des libellules. Ces insectes, résistent à des pressions de 30 G, grâce à un sang remué en permanence par un cœur en forme de tube, qui flotte dans le liquide avec les autres organes. Des médecins allemands, dans les années trente, ont découvert qu’un corps immergé dans l’eau, échappe aux problèmes sanguins du à l’accélération. Actuellement, les combinaisons sont constituées de deux litres d’eau distillée, mélangés à de l’antigel (qui peut servir de ration de survie) contre 28 L dans les versions antérieures.

Astronautes revêtant des combinaisons antiG

     La navette et les astronautes ne présentent aucun risque de brûlure comme lors de la rentrée dans l’atmosphère. Au décollage, la navette passe l'atmosphère assez rapidement après quelques minutes et n'a pas encore de vitesse très élevée. Ce n'est qu'une fois sortie de l'atmosphère qu'elle arrête de monter et pousse encore pour accélérer à plus de 7 km/s.

     De nombreuses explosions de navettes se sont produites sur les pas de tir, provoquant des tragédies, ont permis un renforcement des mesures de sécurité de l’appareil, notamment pour le décollage. Nous pouvons citer l’utilisation d’eau pour bloquer les effets des ondes. En effet, l’allumage des moteurs provoque d’énormes vibrations soniques qui peuvent endommager la structure de la fusée. Les renforcements de la structure peuvent ne pas suffire, ce qui a amené les techniciens à déverser environ 30 m³ d’eau par seconde. Le mur d’eau bloque les ondes pendant 10 à 15 secondes, temps suffisant pour que la fusée soit éloignée. L’utilisation de l’eau a aussi un effet environnemental, puisque elle absorbe une partie des gaz lourds de l’échappement des moteurs.

     La navette n’est pas la seule à devoir être protégée, puisque le lanceur, en quelque sorte l’élément le plus important d’une mission spatiale, est vulnérable. L’assemblage sur le pas de tir de la fusée peut mettre des mois, pendant lesquelles des intempéries peuvent survenir. Le principal souci lié aux intempéries, est la foudre. En effet, la majorité des structures sont hors sol et s’élèvent très haut, tout en étant éloignées de tout arbre … L’utilisation de paratonnerres, ou de câbles relient les tours, plaçant au final le lanceur dans une sorte de cage de protection. C’est un élément très important pour les navettes, puisque la foudre pourrait endommager les systèmes électroniques des lanceurs, de la plate-forme ou du satellite embarqué. En plus du risque d’explosion des carburants.

système de paratonneres des lanceurs