Comprendre la poussée d’un moteur de fusée: principes de base, équation de poussée, chambres de combustion, types de moteurs et applications spatiales.
Comment fonctionne la poussée d’un moteur de fusée
La poussée d’un moteur de fusée est un concept fondamental en ingénierie thermique et en astronautique. La poussée est la force qui propulse la fusée vers l’avant, et elle est générée par l’éjection de gaz à grande vitesse dans le sens opposé. Cette notion repose sur la troisième loi de Newton, qui stipule que pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée.
Les principes de base de la poussée
Un moteur de fusée produit de la poussée en brûlant un combustible dans une chambre de combustion. Le gaz chaud produit par cette combustion est ensuite expulsé à grande vitesse par une tuyère. La force résultante qui pousse la fusée dans la direction opposée à l’éjection du gaz est ce que nous appelons la poussée.
Équation de poussée
La poussée F peut être exprimée par l’équation suivante :
F = m\dot \cdot v\sub e + (p\sub e – p\sub a) \cdot A\sub e
- m\dot est le débit massique du gaz.
- v\sub e est la vitesse d’éjection des gaz.
- p\sub e est la pression des gaz à la sortie de la tuyère.
- p\sub a est la pression extérieure (atmosphérique).
- A\sub e est la surface de sortie de la tuyère.
La première partie de l’équation, m\dot \cdot v\sub e, correspond à la poussée générée par l’éjection des gaz. La seconde partie, (p\sub e – p\sub a) \cdot A\sub e, est appelée poussée de pression et résulte de la différence de pression entre l’intérieur de la tuyère et l’extérieur.
Chambre de combustion et tuyère
Dans la chambre de combustion, le carburant et l’oxydant se mélangent et brûlent pour produire des gaz à haute température et haute pression. Ces gaz sont ensuite dirigés vers la tuyère, qui est une structure conique conçue pour accélérer les gaz à des vitesses extrêmement élevées avant de les expulser.
Types de moteurs de fusée
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Moteurs-fusées à ergols liquides : Ces moteurs utilisent un carburant liquide et un oxydant liquide. Ils sont contrôlables et peuvent être arrêtés et redémarrés en vol. Les moteurs de ce type équipent souvent les lanceurs spatiaux modernes.
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Moteurs-fusées à propergol solide : Ici, le carburant et l’oxydant sont mélangés sous forme solide. Une fois allumés, ces moteurs brûlent jusqu’à l’épuisement du propergol. Ils sont généralement simples, robustes et fournissent une poussée immédiate mais non contrôlable après l’allumage.
Applications de la poussée de fusée
La poussée générée par les moteurs de fusée est la base pour propulser des véhicules spatiaux hors de l’atmosphère terrestre et pour manœuvrer dans l’espace. Que ce soit pour lancer des satellites, envoyer des robots sur Mars ou transporter des astronautes vers la Station Spatiale Internationale (ISS), la poussée des moteurs de fusée est essentielle pour surmonter la gravité terrestre et naviguer dans l’espace.
En résumé, la poussée d’un moteur de fusée est générée par l’expulsion rapide de gaz dans la direction opposée à celle de la poussée souhaitée. Cette force est soigneusement calculée et optimisée pour accomplir diverses missions spatiales et explorer les confins de l’espace.
