Réponses sourcées aux questions que des élèves ont posées à SI Helper et que le site ne traitait pas encore, par sujet : ingénierie aéronautique, mécanique orbitale, physique et sciences générales.
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Une fusée brûle ses ergols et éjecte des gaz chauds très vite par sa tuyère. En poussant ces gaz vers l'arrière, elle est poussée vers l'avant (troisième loi de Newton). Elle emporte son propre comburant : elle n'a pas besoin d'air et fonctionne dans le vide.
L'impulsion spécifique (Isp) est la poussée divisée par le poids d'ergols consommé chaque seconde : Isp = F/(ṁg₀). Des newtons divisés par des newtons par seconde donnent des secondes. Ce n'est pas une durée de combustion. Une Isp plus élevée signifie moins d'ergols pour la même poussée.
Liquide : carburant et comburant sont dans des réservoirs séparés et pompés vers une chambre. Isp plus élevée et poussée réglable. Solide : carburant et comburant sont mélangés en un bloc solide qui brûle depuis sa surface. Simple et prêt à l'emploi. Hybride : un carburant solide avec un comburant liquide ou gazeux, qu'on peut moduler, éteindre et rallumer.
L'équation de Tsiolkovski, Δv = Vₑ ln(m₀/m_f), donne de combien une fusée peut changer sa vitesse. Elle dépend seulement de la vitesse d'éjection et de la part d'ergols dans la masse de départ. À cause du logarithme, doubler les ergols ne double pas le Δv.
La tuyère se resserre jusqu'à un col, où l'écoulement atteint la vitesse du son, puis s'élargit pour que le gaz continue à se détendre et à accélérer. Un plus grand rapport de sections sortie/col donne des gaz plus rapides, mais une tuyère conçue pour le vide est surdétendue au niveau de la mer et perd de la poussée.
Les réservoirs vides et les moteurs sont du poids mort. Larguer chaque étage quand ses ergols sont épuisés permet à l'étage suivant de partir avec un meilleur rapport de masse, et la fusée atteint plus de Δv qu'un seul gros étage.
Ce sont des gaz à température ambiante. Pour les stocker sous forme liquide dense, la NASA garde l'oxygène vers −297 °F (−183 °C) et l'hydrogène vers −423 °F (−253 °C). L'avantage : les moteurs hydrogène–oxygène ont la meilleure Isp chimique. Le prix : la chaleur les fait s'évaporer, donc les réservoirs exigent une forte isolation.
Ils utilisent l'énergie électrique pour éjecter les ergols très vite, d'où une Isp très élevée. Mais la poussée est limitée par la puissance (F = 2ηP/Vₑ) : plus les gaz sont rapides, moins il y a de poussée pour la même puissance. Ils conviennent aux longues missions patientes, pas au lancement.
Plus de 1. À exactement 1, la fusée fait du surplace. L'excédent au-dessus de 1 fixe son accélération de départ : a₀ = F/m − g.
Oui. La NASA indique que ses moteurs RS-25 ont volé sur 135 missions de la navette spatiale, avec plus de 3 000 allumages. Quatre RS-25 propulsent aujourd'hui l'étage central du SLS. Réutiliser du matériel éprouvé évite de construire de nouveaux moteurs à chaque vol.
Un réacteur respire l'air : il y prend l'oxygène et utilise l'air comme gaz de travail. Une fusée emporte tous ses ergols, comburant compris, et fonctionne donc dans l'espace, où un réacteur ne marche pas. Les réacteurs sont efficaces en accélérant beaucoup d'air un peu ; les fusées misent sur des gaz très rapides.
Construis d'abord la base : calcul, physique, chimie, thermodynamique, mécanique des fluides et transferts thermiques, puis un cours de propulsion. Notre parcours gratuit sur quatre ans suit cet ordre, et le cours gratuit 16.512 du MIT traite en profondeur les fusées solides, liquides et hybrides. Les métiers de la propulsion font partie de l'ingénierie aérospatiale.