LA PROPULSION À RÉACTION

Le moteur à réaction est certainement un des plus anciens moteurs connus... dans son principe (dès le milieu du XIe siècle, les Chinois utilisaient les «flèches à feu» (probablement des fusées incendiaires), mais aussi le plus complexe dans la réalisation et ce en dépit de son apparente simplicité. Il repose sur une loi fondamentale de la physique dite «de l’action et de la réaction» énoncée par Isaac Newton : «A chaque action correspond une réaction équivalente et de sens contraire».

PRINCIPE DE LA RÉACTION

Imaginons que l’on produise une réaction de combustion à l’intérieur d’un corps fermé de tous côtés. La résultante des forces de pression s’exerçant sur les parois est nulle (Loi de Mariotte). Ouvrons un orifice dans la paroi arrière, cela permet aux gaz en expansion de s’échapper et rompt ainsi l’équilibre des pressions. Les gaz jaillissent de la tuyère tout en maintenant leur pression sur le fond de la chambre. D’où une pression plus grande sur la face avant que sur la face arrière. Le corps est alors projeté en avant sous l’influence de la force résultant de cette différence de pression.

La force de propulsion d'une fusée est une force de pression appliquée sur l’avant du propulseur non équilibrée en raison de l’orifice pratiqué à l’arrière.
Cette force de pression est proportionnelle au débit massique des gaz (q) et à leur vitesse d’éjection (v).

On aurait donc tort de croire qu’une fusée se propulse contre quelque chose d’externe. La poussée s’exerce intérieurement à l’engin et plus la vitesse des gaz est grande, plus la poussée est considérable.

La loi de Newton entre en jeu dès que la fusée est allumée, «l’action consistant dans l’échappement des gaz». Quant à la «réaction» (équivalente et de sens opposé), elle correspond à ce que les artilleurs appellent le recul : en l’espèce, la poussée qui s’exerce sur le fond de la chambre de combustion. On peut aisément reproduire le phénomène en utilisant des moyens courants, par exemple, un tuyau d’arrosage où l’action de l’eau engendre une réaction dans la lance que tient votre main. Vous pourrez aussi gonfler un ballon que vous laisserez partir soudainement. L’air comprimé sortant par la valve produit une réaction qui projette l’objet en arrière. Autre exemple classique de la propulsion à réaction, le tourniquet d’arrosage. Chacun a pu ainsi observer que le mouvement de rotation s’effectuait en sens inverse du jet d’eau, et que la vitesse de rotation du tourniquet était d’autant plus grande que la vitesse de l’eau était elle-même plus grande. La fusée, cependant, dépend, pour sa propulsion, d’un jet de gaz à très haute température et à très haute pression, engendré par la combustion d’un propulsif adéquat.

LES PROPULSIFS

Le propulsif d’une fusée ordinaire consiste en un carburant et en un oxydant. Ce composé chimique nommé «propergol» se compose de deux ergols souvent liquides.
- le carburant (réducteur) tel le kérosène ou les alcools méthyliques.
- le comburant (oxydant) tel oxygène liquide ou acide nitrique.
Ces ergols emmagasinés sous pression dans deux réservoirs distincts sont injectés dans une chambre à combustion où l’allumage intervient immédiatement.

Types d’ergols :
Propergol liquide : constitué de deux ergols liquides. Ces ergols sont mis sous pression dans des réservoirs et injectés dans la chambre de combustion.

Dans les fusées à propulsif solide, combustible et oxydant sont combinés en une substance compacte, appelée monergol lorsqu’un seul composé chimique joue à la fois le rôle de carburant et celui de comburant. Beaucoup plus simple, la fusée à combustible solide se construit et s’emmagasine avec une grande facilité. Toutefois, le mélange du combustible et du comburant étant réalisé avant l’allumage, la combustion ne s’arrête plus lorsqu’elle est amorcée et même avec de très gros pains, elle ne dure que quelques secondes. D’où l’importante accélération communiquée à l’engin et la quasi impossibilité de régler à convenance.

Cependant, en agissant sur les blocs de poudre, il est possible de faire varier le rendement et la performance des moteurs en fonction des besoins. D’où les formes très diverses que peuvent prendre les pains de poudre : celles-ci sont caractérisées par le coefficient de remplissage, c’est-à-dire le rapport du volume de la poudre au volume interne du propulseur.

Forme des blocs :
Les meilleurs rendements sont obtenus pour des surfaces de combustion qui demeurent constantes durant le temps de propulsion. Les principaux types de blocs sont :

• blocs à combustion frontale : ce sont des blocs cylindriques pleins inhibés extérieurement et brûlant «en cigarettes» :
- le remplissage est maximum
- la poussée est faible
- le temps de combustion est long.

• blocs à combustion interne : obtenus par une perforation longitudinale du pain de poudre.
- les gaz de combustion ne sont pas en contact avec la paroi du propulseur.
- la surface de combustion est grande.
- le temps de combustion est court.
- l’obtention d’une surface de combustion constante est possible.

Lorsque la durée de fonctionnement est faible, mais que l’on désire une poussée, donc un débit élevé, la surface de combustion doit être grande par rapport au volume de la poudre et le coefficient de remplissage ne dépasse pas 0,6. Pour des temps de fonctionnement plus longs, la surface de combustion est faible par rapport au volume de la poudre et le coefficient de remplissage atteint 0,9.

Pour augmenter la surface de combustion d’un bloc donné, on peut le perforer dans le sens de la longueur : les gaz circulent alors parallèlement à la surface de combustion.

PROPULSION ANAÉROBIE

Ce qui fait de la fusée un véhicule spatial unique, c’est que, contrairement au moteur àréaction classique, qui puise son oxygène dans l’atmosphère, le propulseur de la fusée est un système autonome, fonctionnant en circuit fermé et capable d’opérer n’importe où, voire dans le vide. C’est même dans un tel milieu qu’il «rend» le mieux, puisque l’air non seulement freine sa lancée, mais inhibe encore l’échappement de ses gaz.

En outre, contrairement à l’obus, la fusée perd du poids au fur et à mesure que son combustible s’épuise. Sa poussée étant à peu près constante, on peut donc dire qu’elle accélère graduellement pour atteindre son maximum de vélocité juste en fin de combustion. Un propulseur est, de tous les moteurs, celui qui engendre la plus grande poussée par rapport à son poids.

LES MICRO-PROPULSEURS À RÉACTION

Plusieurs types de moteurs de performances différentes sont disponibles en deux versions :
• des propulseurs de croisière,
• des impulseurs (boosters) pour multi-étages.

Ces micro-propulseurs se présentent sous forme d’un cylindre en carton de 70 mm de long et de 17,5 mm de diamètre. Ce sont des moteurs à poudre du type monergol donc pouvant fonctionner sans apport extérieur d’oxygène.

Propulseur de croisière :

Principe de fonctionnement : fixons avec précaution un moteur sur un étau (veiller à le maintenir solidement sans écraser l’enveloppe en carton). Une fois la distance de sécurité observée, effectuons la mise à feu. Nous observons :
- une phase de combustion : les flammes sortent par l’arrière
- une phase d’arrêt : avec fumée cependant
- une phase d’explosion : avec sortie de flammes vers l’avant.

Destiné aux fusées mono-étage, ce moteur contient une charge qui propulse la fusée, ainsi qu’une mèche lente qui, enflammée en fin de propulsion, brûle durant la phase balistique, permettant à la fusée de continuer sur son élan pour atteindre son point maximum, avant de mettre à feu une troisième charge, dite charge d’éjection.
Cette dernière dégage à I’intérieur du corps de la fusée des gaz brûlant sous pression assurant l’éjection du système de récupération ou la rupture, par combustion, d’un fil retenant ce système de récupération.

Impulseur :

Allumage :

La mise à feu du propulseur s’effectue à l’aide d’un allumeur électrique.

Il consiste en un fil Nickel-Chrome de 0,3 mm de diamètre, de 15 à 20 W/m, enduit ou non d’une couche superficielle de poudre. Il est introduit à l’intérieur du propulseur par la tuyère et doit être pressé contre la poudre.

Branché aux bornes d’une batterie (12 V), l’allumeur porté au rouge enflamme la poudre.

Une batterie chargée peut permettre un millier de lancements, mais il est préférable de la recharger après chaque campagne de lancements.

Remarque : Dans les micro-propulseurs, le type de combustion est axial (en cigarette). La poudre brûle à partir de la tuyère jusqu’au fond du propulseur. Toutefois, en introduisant une baguette de balsa par la tuyère, on constate que celle-ci s’enfonce plus ou moins suivant le type de moteur. Il est intéressant de noter que cela influence directement les performances : plus le canal est profond, plus la chambre de combustion est grande, donc plus la poussée est importante, mais plus elle est de courte durée.

Codification :

Essai au banc :

Sécurité :

Après la mise à feu, les jets de gaz propulsifs issus de la tuyère, puis l’explosion de la charge d’ouverture rendent dangereux l’axe du propulseur à 30 cm de part et d’autre de celui-ci.

On doit disposer d’une clé de sécurité dans le circuit d’allumage pour empêcher l’allumage intempestif du propulseur au cours de sa manipulation.

De par sa conception et la constitution de la poudre, le propulseur présente un maximum de sûreté d’emploi. Les chocs, l’écrasement, la chaleur, ne doivent pas provoquer son allumage spontané. En revanche, ces contraintes peuvent modifier la structure du bloc de poudre propulsive ou de la tuyère en ciment (lésions, cassures) et empêcher un bon déroulement des séquences : éjection de la tuyère, perçage du tube, mauvaise combustion...

Pour pallier à ces inconvénients, les propulseurs ayant subi ces contraintes doivent être détruits en les plongeant dans l’eau quelques minutes.