██████████20 % Traduction --- Spacecraft propulsion → Propulsion spatiale --- (+)

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•  Demandeur : Nasa.apollo (d) 12 juin 2012 à 10:30 (CEST)
•  Intérêt de la traduction : article anglais très complet bien qu'un peu fouillis
•  Projet : Astronautique

•  Traducteur(s) : Nasa.apollo (d)
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•  Version traduite : 12 juin 2012
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  Prise de vue en détail du Space Shuttle Main Engine durant un test au banc au John C. Stennis Space Center dans le comté de Hancock (Mississippi)

La propulsion spatiale désigne tout système permettant d’accélérer un objet dans l'espace. Cela inclut les moyens de propulsion des véhicules spatiaux (fusées, satellites, sondes) ou les systèmes de commande d'attitude et d'orbite.

Différentes méthodes de propulsion spatiale existent, chacune ayant ses défauts et ses avantages. La propulsion spatiale est un domaine de recherche actif, pourtant la plupart des vaisseaux spatiaux utilisent actuellement le même type de propulsion s'appuyant sur l'éjection de gaz à grande vitesse en arrière du véhicule au travers d'une tuyère. Ce genre particulier de propulsion est appelé moteur-fusée.

La plupart des vaisseaux spatiaux actuels utilisent des moteurs-fusées chimiques (à propergol solide ou à ergols liquides) pour le lancement même si certains systèmes (comme le lanceur Pegasus ou le vaisseau SpaceShipOne) utilisent un lancement aéroporté. La plupart des vaisseaux spatiaux utilisent un système de propulsion chimique simple mais fiable mono-ergol ou un système de propulsion électrique pour le maintien à poste. Des actionneurs gyroscopiques ou roues d'inertie peuvent également être utilisée pour le contrôle d'attitude. Les satellites soviétiques utilisent la propulsion électrique depuis des décennies, une technologie qui commence seulement à devenir fréquente dans les pays occidentaux en particulier pour le maintien à poste nord-sud des satellites géostationnaire et la rehausse de leur orbite. Les sondes interplanétaires utilisent pour la plupart des moteurs chimiques, cependant quelques essais d'utilisation de moteur ionique ou à effet Hall ont démontré leur efficacité.

  Besoin

Les satellites artificiels doivent être placés sur orbite de manière précise par un lanceur. Une fois sur leur orbite, ils doivent la plupart du temps contrôler leur attitude de manière à ce qu'ils soient correctement pointés vers la Terre, le Soleil ou d'autres astres dans le cas de missions astronomiques^[1]. Les satellites en orbite d'astres ayant une atmosphère doivent également compenser la traînée provoquée par l'atmosphère résiduelle. Il est ainsi nécessaire d'effectuer des petites corrections d'orbite régulièrement pour pouvoir rester sur orbite basse pour une longue période^[2]. Beaucoup de satellites modifient également leur orbite au cours de leur mission à la demande du contrôle au sol ce qui demande également un système de propulsion spatial. Ces changements sont opérés selon les besoins^[3]. Dans la plupart des cas, la fin des réserves de carburant du système propulsif entraîne la fin de vie du satellite.

Un vaisseau spatial devant voyager au-delà de l'orbite terrestre a également besoin de propulsion dans l'espace. Une fois lancé depuis la Terre comme les satellites habituels, les vaisseaux interplanétaires doivent utiliser un système de propulsion pour quitter l'orbite terrestre et naviguer dans le système solaire. Les sondes spatiales corrigent habituellement leur trajectoire par de petits ajustements successifs au cours de leur croisière^[4]. Durant la croisière entre deux planètes les sondes poursuivent leur trajectoire sans propulsion. La trajectoire la plus efficace en terme de propulsion entre deux orbites elliptiques sur un même plan est appelée orbite de transfert de Hohmann. Partant d'une orbite circulaire, une courte poussée dans la direction de son mouvement entraîne le vaisseau sur une orbite elliptique le menant jusqu'à la seconde orbite circulaire, d'altitude plus élevée, où il accélère à nouveau pour rendre son orbite circulaire, complétant ainsi le transfert^[5]. Certaines méthodes exotiques comme l'aérofreinage sont parfois utilisées pour réaliser les ajustements finaux d'une trajectoire^[6].

  Vue d'artiste d'une voile solaire

Certaines méthodes de propulsion comme les voiles solaires produisent une poussée très faible mais continue^[7]. Un véhicule interplanétaire utilisant de tels systèmes de propulsion ne peut utiliser une orbite de transfert de Hohmann, basé sur le caractère impulsionnel de l'accélération donnée en début et en fin de transfert. Par conséquent les systèmes propulsifs de faible poussée utilisent des stratégies complexes de direction de la poussée. Le concept de voile solaire a été démontré par le projet japonais IKAROS.

Les vaisseaux interstellaires auront besoin d'autres méthodes de propulsion. Aucun vaisseau de ce type n'a été construit même si de nombreux concepts ont été proposés. Les distances astronomiques séparant les étoiles entre elles requièrent des vitesses très importantes pour que le voyage se déroule dans des délais raisonnables. Accélérer à de telles vitesses puis ralentir à l'approche de la destination sera un défi pour les concepteurs de tels vaisseaux^[8].

La force de gravité à la surface de la Terre est relativement élevée. La vitesse nécessaire pour pouvoir quitter le champ d'influence gravitationnelle de la Terre est environ de 11,2 km/s. Les humains étant habitués à une accélération gravitationnelle de 1 g soit environ 9,8 m.s^-2. Un système de propulsion idéal pour simuler les conditions de gravité terrestre accélérerait donc à 1 g. Le corps humain supporte néanmoins des accélérations plus fortes pour des périodes de temps réduites. Cette gravité artificielle permettrait en outre de résoudre les problèmes liés à la micropesanteur comme la nausée ou les pertes osseuses et musculaires.

  Méthodes de propulsion

Les méthodes de propulsion spatiale peuvent être classées en fonction de la façon dont elles accélèrent la masse propulsive. Il existent également des méthodes particulières dépendant des phases du vol, comme le lancement, la rentrée ou encore l’atterrissage.

  Moteur à réaction

Un moteur à réaction utilise l'expulsion d'une masse propulsive pour assurer son déplacement en s'appuyant sur la seconde loi de Newton.

  Impulsion spécifique et vitesse d'éjection

La raison d'être d'un système de propulsion spatiale est d'accélérer la vitesse v d'un objet. Comme il est plus délicat d'accélérer des objets de masse importante que des objets légers, la quantité de mouvement mv est habituellement utilisée à la place de la vitesse. Ce qu'on appelle couramment dans le domaine du spatial une "impulsion" est en fait une variation de la quantité de mouvement^[9].

Si le système de propulsion est utilisé lors du lancement, la poussée qu'il développe doit alors surmonter le poids du vaisseau afin que la résultante d'accélération soit positive^[10]. Une fois en orbite, toute poussée, aussi faible soit-elle, provoquera une variation de la quantité de mouvement.

La modification de la quantité de mouvement au cours du temps est une force (principe fondamental de la dynamique) tandis qu'une accélération est une modification de la vitesse au cours du temps. Pour modifier sa vitesse, un vaisseau peut soit maintenir une accélération faible pendant longtemps, soit maintenir une accélération forte pendant une courte durée. De la même manière, pour modifier sa quantité de mouvement, le vaisseau peut se soumettre à une faible poussée pendant longtemps ou à une forte poussée pendant une courte durée. Cela implique que lors de manœuvres dans l'espace, une méthode de propulsion qui provoque une faible accélération pendant longtemps peut résulter en la même variation de quantité de mouvement qu'une méthode provoquant une forte accélération pendant un temps court. A nouveau si le vaisseau lutte contre la gravité de la planète (si il en décolle par exemple) une poussée au moins égale à la gravité est nécessaire.

Si certains systèmes de propulsion spatiale utilisent des champs magnétiques ou la lumière comme intermédiaire dans cette transmission de quantité de mouvement, la plupart communiquent une quantité de mouvement à une masse éjectée dans le sens inverse de la poussée.

Le bilan de quantité de mouvement s'écrit pour l'engin :

où dP est variation de quantité de mouvement et v_e la vitesse d'éjection de la matière.

Cette variation se traduit, en utilisant la deuxième loi de Newton appliquée sur l'engin, par une force s'exerçant sur l'engin :

où F_p est la force appliquée sur l'engin et le débit de matière éjectée.

Cette masse éjectée est appelée masse propulsive en opposition aux masses utile et de structure qui comprennent la masse du vaisseau ne servant pas à accélérer.

Pour qu'un moteur-fusée fonctionne, il lui faut donc deux éléments : de la masse propulsive et de l'énergie. La variation de quantité de mouvement du vaisseau lors de l'éjection d'une particule de masse m à une vitesse v sera donc égale à la quantité de mouvement transmise à la particule, soit mv. L'énergie cinétique de la particule quant à elle est de mv²/2 et doit être fournie par le système propulsif. Tous les systèmes de propulsion chimique utilisent la combustion comme source d'énergie. Les produits de cette combustion sont ensuite relâchés, devenant masse propulsive. Dans un système de propulsion spatiale électrique, l'électricité est utilisée pour accélérer des ions formant la masse propulsive. Ces systèmes ont donc besoin d'énergie électrique pour fonctionner. Elle peut être fournie par des panneaux solaires ou par des réacteurs nucléaires^[11].

Lors de la conception de systèmes de propulsion spatiale, les concepteurs focalisent souvent leurs efforts sur la diminution de la masse propulsive emportée. La masse propulsive doit en effet accompagner le vaisseau tant qu'elle n'est pas utilisée et est perdue irrémédiablement une fois consommée. La minimiser permet donc de minimiser la taille et la masse des réservoirs. Une manière de déterminer la quantité de mouvement que l'on peut obtenir à l'aide d'une masse propulsive donnée est l'impulsion spécifique, qui équivaut à la quantité de mouvement obtenue par unité de poids de carburant sur Terre (habituellement notée ). Son unité est la seconde.

L'impulsion spécifique s'écrit donc ainsi:

où F est la poussée fournie par la propulsion, le débit de matière éjectée et g₀ l'accélération due au champ de gravité, supposé constant à proximité de la surface d'une planète.

Comme le poids de carburant sur Terre est souvent inutile dans une discussion d'un moteur spatial, l'impulsion spécifique peut être calculée par unité de masse. Cette formulation donne à l'impulsion spécifique la dimension d'une vitesse (i.e. m/s). L'impulsion spécifique est dans ce cas la vitesse d'éjection efficace du moteur-fusée (habituellement notée ). Les auteurs font parfois la confusion et nomment impulsion spécifique la vitesse d'éjection efficace. Pourtant les deux diffèrent d'un terme g₀, l'accélération standard de la gravité au niveau de la mer soit 9,80665 m.s^-2 ().

Un moteur fusée à la vitesse d'éjection importante peut par conséquent provoquer une variation de quantité de mouvement avec une masse propulsive réduite. En revanche l'énergie cinétique à fournir à une particule est linéairement liée à sa masse mais liée au carré de sa vitesse d'éjection. Par conséquent un système très efficace sur le plan de la masse propulsive demande beaucoup d'énergie et est souvent moins efficace d'un point de vue de l'énergie totale dépensée. De plus, il faut garder à l'esprit que si le gain en masse propulsive se fait au dépend de la masse globale du vaisseau, par exemple par l'ajout d'une grande surface de panneaux solaires pour fournir de l'énergie, le bilan de masse peut au final devenir négatif. Ce problème devient critique pour un système devant fournir une forte poussée. En effet générer une large quantité de mouvement avec peu de masse propulsive implique une très grande vitesse d'éjection donc beaucoup d'énergie à fournir. En conséquence, la plupart des moteurs très efficaces sur un plan de la masse propulsive embarquée fournissent une poussée très faible en raison de l’inexistence de systèmes embarqués pouvant générer assez d'énergie.

  Delta-v et carburant

  Le ratio de masse du vaisseau influe exponentiellement le delta V

À supposer qu'on utilise un vaisseau spatial en dehors de toute interaction extérieure, la consommation de son carburant au travers de son système propulsif dans une direction donnée provoquerait une modification de sa vitesse. La différence totale entre la vitesse initiale du véhicule et sa vitesse finale (i.e. après la poussée) est appelée delta-v ().

Si la vitesse d'éjection efficace du système de propulsion ne varie pas durant la poussée, le delta-v total peut être calculé en utilisant l'équation de Tsiolkovski.

où :

• v est la variation de vitesse entre le début et la fin de la phase propulsée considérée ;
• v_e est la vitesse d'éjection de la masse propulsive;
• m_i est la masse totale du vaisseau au début de la phase propulsée (i pour initial) ;
• m_f est la masse totale du vaisseau à l'issue de la phase propulsée (f pour final), exprimée dans la même unité que m_i ;
• est la fonction logarithme népérien.

Pour des raisons historique, on remplace parfois de la manière présentée préalablement :

où l' est l'impulsion spécifique et est la constante d'accélération gravitationnelle au niveau de la mer.

Pour une mission ayant besoin de beaucoup de delta-v, la majorité de la masse du vaisseau est souvent de la masse propulsive. Comme un vaisseau doit emporter toute sa masse propulsive, une grande partie de la masse propulsive consommée l'est en réalité pour accélérer de la masse propulsive utilisée plus tard plutôt que de la masse utile. Si un vaisseau dont la masse finale m_f comprend la masse utile ainsi que la masse de structure doit accélérer d'un delta-v avec un système propulsif de vitesse d'éjection , m_p la masse propulsive nécessaire peut être calculée en utilisant l'équation de Tsiolkovsky de la manière suivante:

Ainsi pour des bien plus petits, l'équation devient quasi-linéaire et une masse propulsive très réduite est nécessaire. Si est du même ordre de grandeur que alors le besoin en masse propulsive est typiquement égal environ deux fois à la masse utile et de structure du vaisseau. À partir de là, l'augmentation de masse propulsive devient exponentielle. Pour des très supérieurs à la vitesse d'éjection, un ratio de masse très important est nécessaire entre masse propulsive et masse utile.

Pour une mission nécessitant par exemple un décollage ou un atterrissage sur une planète les effets de la gravité et de la traînée créée par l'atmosphère doivent être compensée par de la masse propulsive supplémentaire. Il est courant d'intégrer de tels effets dans un bilan de delta-v. Ainsi un lancement vers une orbite basse terrestre demande un delta-v entre 9,3 km/s et 10 km/s. Ces bilans de delta-v sont habituellement calculés numériquement.

Quelques effets particulier comme l'effet Oberth ne peuvent être utilisés qu'avec des systèmes propulsifs à très forte poussée comme ceux utilisés sur les lanceurs (l'accélération doit être importante).

  Puissance et efficacité énergétique

  Structure d'un système propulsif spatial

La structure abstraite suivante peut s'appliquer de façon générale aux différents types de propulseurs :

  Classification des différents types de propulsion

La classification des différents types de propulsion peut se faire en trois groupes selon le niveau de technologie nécessaire de développement (se reporter aux notions de TRL et SRL). Cette classification contient néanmoins une part de subjectivité et peut donc être sujette à discussion. Par ailleurs, des combinaisons peuvent intervenir entre les différents types de propulsion.

  Propulsion classique

• Propulsion chimique
  • Propulsion à propergol liquide
  • Propulsion à propergol solide
• propulsion à gaz froid

  Propulsion avancée

• Propulsion spatiale hybride
• Propulsion nucléaire
• Propulsion électrique :
  • Propulsion électromagnétique : propulseur magnétoplasmadynamique
  • Propulsion électrostatique : Propulseur ionique à bombardement, Propulseur à effet Hall (SPT),
  • Propulsion électrothermique : VASIMR
• Propulsion héliothermique
• Propulsion aérobie
  • Superstato
  • Moteur à ondes de détonation pulsées (PDE)
• propulsion laser
• Voile :
  • Voile solaire
  • Voile magnétique

  Propulsion exotique

• Magnétohydrodynamique
• Antimatière
• Moteur d'Alcubierre
• Ascenseur spatial
• Propulsion captive
• Propulsion photonique
• Programme de physique avancée des propulseurs

  Notes et références

  Notes

  Références

  Sources

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Spacecraft propulsion » (voir la liste des auteurs)

  Voir aussi

• moteur-fusée
• Lancement spatial sans fusées

v · d · m Propulsion spatiale
Propulsion chimique	Moteur-fusée à ergols liquides • Propulsion à propergol solide • Propulsion hybride
Propulsion électrique	Propulsion ionique • Propulseur à effet Hall • VASIMR • Propulseur à force ponderomotrice • Arcjet • Résistojet • Propulseur magnétoplasmadynamique
Propulsion nucléaire	Propulsion nucléaire thermique • Propulsion radioisotopique  • Propulsion nucléaire pulsée • Propulsion par fragments de fission • Antimatière  • Collecteur Bussard
Autre type de propulsion	Propulsion à gaz froid  • Moteur photonique • Voile magnétique • Propulsion laser • Propulsion captive • Moteur d'Alcubierre
Voir aussi	Catégorie:Propulsion spatiale • Moteur fusée • Catapulte électromagnétique • Ascenseur spatial  • Magnétohydrodynamique

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