Partie 2, les évolutions

Evolutions scientifiques

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Améliorer le passé

Pour les missions Apollo, les ergols principaux étaient l'oxygène liquide (LOX) et l'hydrogène liquide (LH2) que l'on utilise généralement ensemble. Un moteur chimique a pour avantage que l'énergie dégagée provient de 80% de l'énergie de la transformation chimique entre ergols  L'oxygène liquide est en fait du dioxygène de formule O2 refroidi à environ -183°C avec une pression atmosphérique égale au niveau de la mer et il a une masse volumique de 73kg/m3. Sa couleur est légèrement bleuté car il absorbe légèrement le rouge. L'hydrogène liquide est en réalité du dihydrogène, soit deux atomes d'hydrogène faisant une liaison covalente pour garder la règle du duet et que les atomes soient stables. Le dihydrogène, de formule H2, est refroidit à environ -253°C. Ils sont séparés dans deux réservoirs différents pour éviter une réaction non voulue.


Oxygène liquide

Lorsqu'ils réagissent entre eux le dioxygène et  le dihydrogène forment de l'eau (H2O): 2H2 +O2 -->  2H2O   

C'est cette eau qui va devenir le propergol du moteur. Au décollage, la poussée vient principalement (à 90%) de fusées à ergols solides. Les ergols sont des composants (composites). Ces composites sont un oxydant qui réagit avec un réducteur, un agent liant est parfois ajouter. Le plus répandu des composites utilisés par les lanceurs modernes est le propergol composite à perchlorate d'ammonium qui comporte un mélange de perchlorate d'ammonium (oxydant), poudre d’aluminium (le réducteur) et polybutadiène (le carburant qui joue également le rôle de liant). L'impulsion spécifique obtenue est de 250 secondes mais la poussée est énorme.

Schéma d'une fusée à ergols solides

Pour avoir un moteur plus puissant, les scientifiques recherchent de nouveaux ergols plus stables, plus puissants et plus économes. Les propriétés recherchées sont:

  • une densité élevée pour réduire le volume des réservoirs ou avoir plus de matière pour le même volume,
  • une température d'ébullition la plus élevée possible pour permettre une cryogénisation moins complexe,
  • une énergie de combustion élevée,
  • des produits de combustion stables pour limiter les risques d'explosion,
  • des produits de combustion à faible masse molaire pour réduire le poids pour le même nombre de mole.

Le futur et ses possibilités

Le moteur nucléaire à propulsion thermique:

Le moteur nucléaire à propulsion thermique (ou NTP) est un moteur envisagé pour succéder aux moteurs chimiques. Son principe est assez simple, Il utilise la chaleur des fissions contrôlées pour chauffer un liquide propulsif. Ce liquide surchauffé va être éjecté par la tuyère. Le principal défaut est que la résistance des matériaux à la chaleur extrême est loin d’être suffisante. Ce peu de résistance ne permet pas d’envisager pour l’instant une utilisation à pleine puissance. L’Isp n’atteint pour l’instant que 7 000 s. Pour une fission, le carburant sera de l’uranium (92U) ou un autre atome lourd car il est plus simple d'obtenir une fission sur un de ces atomes.

 

Le moteur nucléaire par fragment de fission:

C’est le moteur nucléaire le plus prometteur. Contrairement à la majorité des moteurs de ce type, il n’utilise pas un liquide qui va être propulsé. On utilise l’énergie cinétique directe du fragment de l’atome obtenu par fission. Cela utilise donc très peu de carburant. L’Isp pourrait être de 1 000 000 de s. Ce chiffre énorme deviendrait inutile dans l’atmosphère à cause du peu de pénétration des fragments dans celui-ci. Sans parler des impacts environnementaux qui sont risqués. Les fragments sont très ionisés donc une tuyère magnétique suffit pour donner une direction aux fragments.

Propulsion par fragment de fission

Le nucléaire est très prometteur mais à des gros soucis avec ses risques environnementaux en cas de défaillance du moteur. Cela provoquerait des retombées radioactives énormes et la dispersion des matériaux du moteur. Plus grave, un dysfonctionnement catastrophique entraînant une contamination de l'environnement pourrait survenir suite à l'explosion du lanceur, une rupture du confinement du cœur à cause de débris orbitaux (Astéroïdes ...) , d'une fission incontrôlée, de la fatigue des structures ou d'une erreur humaine. Une fission non contrôlée donnerait lieu à une explosion atomique. C'est pour cela que ces réacteurs ne sont pas envisagés pour une sortie de l'atmosphère.

Pour l’instant, aucun de ces moteurs nucléaires n’ont été utilisé en mission ou dans l’espace. Ils sont très fortement envisagés pour des missions à longues durées.

Le moteur ionique

Le moteur ionique est l’un des moteurs déjà utilisé sur certaines sondes. Son principe parait simple mais il est assez complexe en réalité. Pour faire simple, la matière à éjecter, ici le Xénon, est fortement ionisée et passe à travers des grilles chargées électriquement ce qui a pour effet d’accélérer les ions. En contrepartie, les grilles (et le moteur) subissent une réaction de force dans le sens opposé, c’est le principe de la propulsion ionique. Les ions retrouvent leurs électrons à la sortie de la tuyère magnétique pour garder la neutralité électrique du vaisseau. Son seul défaut est que, pour qu'il fonctionne, il lui faut de l'énergie en assez grande quantité pour pouvoir approvisioner les grilles électriques. Pour l'instant, les moteurs ioniques sont combinés avec des panneaux solaires mais pour une expédition s'éloignant du Soleil cette solution n'est pas viable. Il est donc question de le combiner avec un moteur moteur nucléaire pour obtenir de l'énergie a n'importe quel moment. Il obtient une Isp de 5 000 jusqu’à 25 000 du fait de son faible poids et de peu de "masse d'appui" utilisé. Dans l'atmosphère, son souffle serait égal à un souffle humain sur une main située à 20 cm.

moteur ionique


Evolutions techniques

Depuis les missions Apollo, la science a changé et a subit une évolution fulgurante. L'équation de l'impulsion spécifique (Isp) qui permet de comparer la propulsion des différents types de moteurs est un des outils de cette évolution. Cette équation s'écrit tel que :

                                                            Isp=F/q*g0 

Dans cette équation, F est la poussée en Newton (N), q est le débit massique d'éjection des gazs (en kg/s) et g0 est l'accélération de la pesanteur (en m/s² ou en N/kg).                       

L'impulsion spécifique permet de comparer l'efficacité d'un système de propulsion, plus elle est élevée, plus le système est performant. Le mélange de LOX/LH2 de la fusée Ariane 5 avait une Isp d'environ 440 secondes.

Moteur Saturn V à l'étage S-IVB

Ces données nous permettent de comparer ce moteur avec les moteurs en cours de développement tels que les moteurs électriques ou nucléaires. Pour un moteur nucléaire, l'Isp obtenue va de 2500 à 6500 s pour une poussée de 20 à 400 kN selon la taille du moteur de 40 à 210 t, radiateur compris. Ces moteurs sont tres prometteurs mais les risques sont gros et leur poid n'est pas un avantage. De plus, un moteur chimique a pour avantage que l'énergie dégagée provient de 80% de l'énergie de la transformation chimique entre ergols. C'est le gros avantage du moteur chimique sur le moteur nucléaire qui ne peut, pour l'instant, pas atteindre ce niveau d'efficacité.

Le moteur, quel qu'il soit, aura beau être puissant, il ne sera rien sans une bonne tuyère permettant de diriger les gazs dans le bon sens. La tuyère est l'élément qui va déterminer l'efficacité du moteur. Sans une tuyère les gazs seraient dispersés dans tous les sens et toute l'énergie obtenue ne servirai absolument à rien. La tuyère a donc pour but de canaliser les gazs dans une direction. Le modèle le plus utilisé est le modèle de Laval (voir ci-dessous). il est le plus utilisé car il accélère la vitesse des gazs et est très efficace. Son seul petit défaut est qu'il est adapté pour le décollage seulement car ,en haute atmosphère ou dans l'espace, la sortie doit être plus élargie pour une meilleure compétence.

Tuyère de laval

 

Pour contrer ce léger défaut, une nouvelle tuyère a été pensée et mis au point. Cette tuyère est appelé tuyère à compensation d'altitude ou "Aérospike". Cette tuyère laisse plus de place au gazs à leur sortie tout en leur donnant une direction et en accélérant leur vitesse d'éjection. Les gazs se retrouvent collé à la paroie et suivent sa courbe. 


Tuyère de type "Aérospike"

Evolutions humaines

L'une des principales innovations pour protéger la vie humaine est la combinaison spatiale qui s'est perfectionné pour faire face aux climats extrême de l'Espace. Un homme sans combinaison serait voué a une mort certaine. En effet, la pression étant nulle, ses poumons se videraient de tout leur air ce qui provoquerait une hypoxie (ou coma dut au manque d'oxygène) puis, beaucoup plus grave, son sang se mettrait à bouillir, du fait de la différence de température entre son corps et l'extérieur, et enfin créer de mulitples hémorragies internes. Pour empêcher cela, la combinaison assure une pression de 0,29 atm (ou atmosphère). Cette pression correspond à la pression en haut du Mont Everest. Pour assurer une respiration correcte à cette pression, il est nécessaire de fournir du dioxygène pur. La combinaison a donc un réservoir à dioxygène.

 

Lors des missions habités, il sera impossible d'enmener les ressources vitales des astronautes avec eux. Par exemple, Un voyage Terre-mars dure 6 mois (voir partie 3). Pour un aller retour, il faudrait un peu plus d'un an. Il faudrait donc emporté 1 ans de dioxygène, de nourriture, d'eau ... Il est donc nécessaire de développer le système de support de vie. Actuellement, le système est dit "ouvert" car les ressources sont rejetés après utilisation. Le projet est de créer un système dit "fermé". Ce type de système recyclerai tout. Il créerai sa propre alimentation, recyclerai l'air, l'eau, les matières fécales. L'apesanteur met le projet de l'alimentation en difficulté car toutes les plantes ne poussent pas bien en dehors de la gravité terrestre. Des études sont en train d'être faites pour résoudre ce problème.

système de support de vie de la station spatiale internationale (ISS)

Date de dernière mise à jour : 2012-02-29 19:40:10

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