HowStuffWorks 2005 Voir plus de photos de fusées. L'exploration de l'espace est l'une des entreprises les plus étonnantes que l'homme ait jamais entreprises. Une grande partie de l'étonnement est la complexité. L'exploration spatiale est compliquée car il y a tellement de problèmes à résoudre et d'obstacles à surmonter. Vous avez des choses comme :
Mais le plus gros problème de tous est d'exploiter suffisamment d'énergie simplement pour faire décoller un vaisseau spatial. C'est là où moteurs de fusée Entrez.
Les moteurs de fusée sont, d'un côté, si simple que vous pouvez construire et piloter vos propres maquettes de fusées à très peu de frais (voir les liens sur la dernière page de l'article pour plus de détails). D'autre part, les moteurs de fusée (et leurs systèmes de carburant) sont si compliqués que seuls trois pays ont réellement mis des personnes en orbite. Dans cet article, nous allons regarder les moteurs de fusée pour comprendre comment ils fonctionnent, ainsi que de comprendre une partie de la complexité qui les entoure.
Quand la plupart des gens pensent aux moteurs ou aux moteurs, ils pensent à la rotation. Par exemple, un moteur à essence alternatif dans une voiture produit de l'énergie de rotation pour entraîner les roues. Un moteur électrique produit de l'énergie de rotation pour entraîner un ventilateur ou faire tourner un disque. Une machine à vapeur sert à faire la même chose, de même qu'une turbine à vapeur et la plupart des turbines à gaz.
Les moteurs de fusée sont fondamentalement différents. Les moteurs de fusée sont réaction moteurs. Le principe de base d'un moteur de fusée est le célèbre principe newtonien selon lequel "à chaque action, il y a une réaction égale et opposée". Un moteur-fusée projette de la masse dans un sens et bénéficie de la réaction qui se produit dans l'autre sens.
Cette notion de "lancer de la masse et profiter de la réaction" peut être difficile à appréhender au premier abord, car cela ne semble pas être ce qui se passe. Les moteurs de fusée semblent être à propos des flammes, du bruit et de la pression, pas "jeter des choses". Regardons quelques exemples pour avoir une meilleure image de la réalité :
Prochain, nous examinerons un autre scénario qui explique l'action et la réaction :le baseball spatial.
En savoir plus sur les moteurs de fusée
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Contenu
Une caméra distante capture une vue rapprochée d'un moteur principal de navette spatiale lors d'un essai de tir au centre spatial John C. Stennis dans le comté de Hancock, Manquer. Photo avec l'aimable autorisation de la NASA Imaginez la situation suivante :vous portez une combinaison spatiale et vous flottez dans l'espace à côté de la navette spatiale; vous avez une balle de baseball dans votre main.
Si vous lancez le baseball, votre corps réagira en se déplaçant dans la direction opposée de la balle. La chose qui contrôle la vitesse à laquelle votre corps s'éloigne est le poids du baseball que vous lancez et la quantité de accélération que vous lui appliquez. La masse multipliée par l'accélération est la force (f =m * a). Quelle que soit la force que vous appliquez au baseball, elle sera égalisée par une force de réaction identique appliquée à votre corps (m * a =m * a). Alors disons que le baseball pèse 1 livre, et votre corps plus la combinaison spatiale pèse 100 livres. Vous lancez la balle de baseball à une vitesse de 32 pieds par seconde (21 mph). C'est-à-dire, vous accélérez la balle de baseball de 1 livre avec votre bras pour qu'elle atteigne une vitesse de 21 mph. Votre corps réagit, mais il pèse 100 fois plus que le baseball. Par conséquent, il s'éloigne au centième de la vitesse de la balle de baseball, ou 0,32 pied par seconde (0,21 mph).
Si vous voulez générer plus poussée de votre base-ball, vous avez deux options :augmenter la masse ou augmenter l'accélération. Vous pouvez lancer une balle de baseball plus lourde ou lancer un certain nombre de balles de baseball l'une après l'autre (en augmentant la masse), ou vous pouvez lancer la balle de baseball plus rapidement (en augmentant l'accélération). Mais c'est tout ce que vous pouvez faire.
Un moteur-fusée projette généralement une masse sous la forme d'un gaz à haute pression . Le moteur projette la masse de gaz dans une direction afin d'obtenir une réaction dans la direction opposée. La masse provient du poids du carburant que brûle le moteur-fusée. Le processus de combustion accélère la masse de carburant afin qu'elle sorte de la tuyère de la fusée à grande vitesse. Le fait que le combustible passe d'un solide ou d'un liquide à un gaz lorsqu'il brûle ne modifie pas sa masse. Si vous brûlez une livre de carburant de fusée, une livre d'échappement sort de la buse sous la forme d'une haute température, gaz à grande vitesse. La forme change, mais pas la masse. Le processus de combustion accélère la masse.
Apprenons-en plus sur la poussée ensuite.
La "force" d'un moteur de fusée s'appelle son poussée . La poussée est mesurée en "livres de poussée" aux États-Unis et en Newtons selon le système métrique (4,45 Newtons de poussée équivaut à 1 livre de poussée). Une livre de poussée est la quantité de poussée qu'il faudrait pour maintenir un objet de 1 livre immobile contre la force de gravité sur Terre. Alors sur Terre, l'accélération de la gravité est de 32 pieds par seconde par seconde (21 mph par seconde). Si vous flottiez dans l'espace avec un sac de balles de baseball et que vous lanciez une balle de baseball par seconde loin de vous à 21 mph, vos balles de baseball généreraient l'équivalent de 1 livre de poussée. Si vous deviez lancer les balles de baseball à la place à 42 mph, alors vous généreriez 2 livres de poussée. Si vous les jetez à 2, 100 mph (peut-être en leur tirant avec une sorte de pistolet de baseball), alors vous générez 100 livres de poussée, etc.
L'un des problèmes amusants des fusées est que les objets que le moteur veut lancer pèsent en fait quelque chose, et la fusée doit transporter ce poids. Supposons donc que vous vouliez générer 100 livres de poussée pendant une heure en lançant une balle de baseball toutes les secondes à une vitesse de 2, 100 mph. Cela signifie que vous devez commencer par 3, 600 balles de baseball de 1 livre (il y en a 3, 600 secondes en une heure), ou 3, 600 livres de balles de baseball. Puisque vous ne pesez que 100 livres dans votre combinaison spatiale, vous pouvez voir que le poids de votre "carburant" éclipse le poids de la charge utile (vous). En réalité, le carburant pèse 36 fois plus que la charge utile. Et c'est très courant. C'est pourquoi vous devez avoir une énorme fusée pour amener une toute petite personne dans l'espace en ce moment - vous devez transporter beaucoup de carburant.
Vous pouvez voir l'équation de poids très clairement sur la navette spatiale. Si vous avez déjà vu le lancement de la navette spatiale, tu sais qu'il y a trois parties :
L'orbiteur pèse 165, 000 livres à vide. Le réservoir externe pèse 78, 100 livres à vide. Les deux propulseurs à poudre pèsent 185, 000 livres vides chacun. Mais ensuite, vous devez charger le carburant. Chaque SRB détient 1,1 million de livres de carburant. Le réservoir externe contient 143, 000 gallons d'oxygène liquide (1, 359, 000 livres) et 383, 000 gallons d'hydrogène liquide (226, 000 livres). L'ensemble du véhicule -- navette, réservoir externe, boîtiers de propulseur à poudre et tout le carburant - a un poids total de 4,4 millions de livres au lancement. 4,4 millions de livres pour obtenir 165, 000 livres en orbite, c'est une grosse différence ! Être juste, l'orbiteur peut également emporter un 65, Charge utile de 000 livres (jusqu'à 15 x 60 pieds), mais c'est quand même une grosse différence. Le carburant pèse près de 20 fois plus que l'Orbiter [source :The Space Shuttle Operator's Manual].
Tout ce carburant est jeté à l'arrière de la navette spatiale à une vitesse de peut-être 6, 000 mph (les vitesses d'échappement typiques des fusées chimiques varient entre 5, 000 et 10, 000 mph). Les SRB brûlent pendant environ deux minutes et génèrent environ 3,3 millions de livres de poussée chacun au lancement (2,65 millions de livres en moyenne sur la combustion). Les trois moteurs principaux (qui utilisent le carburant dans le réservoir externe) brûlent pendant environ huit minutes, générer 375, 000 livres de poussée chacun pendant la combustion.
Dans la section suivante, nous examinerons le mélange de carburant particulier dans les fusées à combustible solide.
Une fusée à combustible solide immédiatement avant et après l'allumage Les moteurs de fusée à combustible solide ont été les premiers moteurs créés par l'homme. Ils ont été inventés il y a des centaines d'années en Chine et ont été largement utilisés depuis lors. La phrase sur « l'éclat rouge de la fusée » dans l'hymne national (écrit au début des années 1800) parle de petites fusées militaires à combustible solide utilisées pour lancer des bombes ou des engins incendiaires. Vous pouvez donc voir que les fusées sont utilisées depuis un certain temps.
L'idée derrière une simple fusée à combustible solide est simple. Ce que vous voulez faire, c'est créer quelque chose qui brûle très rapidement mais n'explose pas. Comme vous le savez probablement, la poudre à canon explose. La poudre à canon est composée à 75 % de nitrate, 15 % de carbone et 10 % de soufre. Dans un moteur de fusée, vous ne voulez pas d'explosion - vous aimeriez que la puissance soit libérée plus uniformément sur une période de temps. Par conséquent, vous pouvez modifier le mélange à 72 % de nitrate, 24% de carbone et 4% de soufre. Dans ce cas, au lieu de poudre à canon, vous obtenez un simple carburant de fusée. Ce genre de mélange brûlera très rapidement, mais il n'explose pas s'il est chargé correctement. Voici une coupe transversale typique :
Sur la gauche, vous voyez la fusée avant l'allumage. Le combustible solide est représenté en vert. Il est cylindrique, avec un tube percé au milieu. Lorsque vous allumez le carburant, il brûle le long de la paroi du tube. Comme il brûle, il brûle vers l'extérieur vers le boîtier jusqu'à ce que tout le carburant ait brûlé. Dans un petit moteur de fusée miniature ou dans une petite fusée en bouteille, la brûlure peut durer une seconde ou moins. Dans une navette spatiale SRB contenant plus d'un million de livres de carburant, la brûlure dure environ deux minutes.
Lorsque vous lisez des articles sur les fusées à combustible solide avancées comme les propulseurs de fusées à solide de la navette, vous lisez souvent des choses comme :
Le mélange propulseur dans chaque moteur SRB est constitué d'un perchlorate d'ammonium (comburant, 69,6 pour cent en poids), aluminium (carburant, 16 pour cent), oxyde de fer (un catalyseur, 0,4 %), un polymère (un liant qui maintient le mélange ensemble, 12,04 pour cent), et un agent de durcissement époxy (1,96 pour cent). Le propulseur est une perforation en forme d'étoile à 11 pointes dans le segment moteur avant et une perforation à double tronc de cône dans chacun des segments arrière et de la fermeture arrière. Cette configuration fournit une poussée élevée à l'allumage puis réduit la poussée d'environ un tiers 50 secondes après le décollage pour éviter de surcharger le véhicule pendant la pression dynamique maximale. [source :NASA]Ce paragraphe traite non seulement du mélange carburé mais aussi de la configuration du canal percé au centre du carburant. Une "perforation en forme d'étoile à 11 pointes" pourrait ressembler à ceci :
L'idée est d'augmenter la surface du canal, augmentant ainsi la zone de brûlure et donc la poussée. Comme le carburant brûle, la forme s'égalise en un cercle. Dans le cas des SRB, il donne au moteur une poussée initiale élevée et une poussée plus faible au milieu du vol.
Les moteurs-fusées à combustible solide présentent trois avantages importants :
Ils présentent également deux inconvénients :
Les inconvénients signifient que les fusées à combustible solide sont utiles pour des tâches à courte durée de vie (comme les missiles), ou pour les systèmes de surpression. Lorsque vous devez être en mesure de contrôler le moteur, vous devez utiliser un système de propulsion liquide. Nous allons en apprendre davantage sur ces possibilités et d'autres par la suite.
Le Dr Robert H. Goddard et sa fusée à oxygène liquide-essence dans le cadre d'où elle a été tirée le 16 mars, 1926, à Auburn, Mass. Il n'a volé que 2,5 secondes, grimpé de 41 pieds, et a atterri à 184 pieds dans un carré de choux. Photo avec l'aimable autorisation de la NASA En 1926, Robert Goddard a testé le premier moteur de fusée à propergol liquide. Son moteur utilisait de l'essence et de l'oxygène liquide. Il a également travaillé et résolu un certain nombre de problèmes fondamentaux dans la conception de moteurs de fusée, y compris les mécanismes de pompage, stratégies de refroidissement et dispositifs de pilotage. Ces problèmes sont ce qui rend les fusées à propergol liquide si compliquées.
L'idée de base est simple. Dans la plupart des moteurs de fusée à propergol liquide, un combustible et un comburant (par exemple, essence et oxygène liquide) sont pompés dans une chambre de combustion. Là, ils brûlent pour créer un flux de gaz chauds à haute pression et à grande vitesse. Ces gaz s'écoulent à travers une buse qui les accélère encore (5, 000 à 10, les vitesses de sortie de 000 mph étant typiques), et puis ils quittent le moteur. Le schéma très simplifié suivant vous montre les composants de base.
Ce diagramme ne montre pas les complexités réelles d'un moteur typique (voir certains des liens au bas de la page pour de bonnes images et descriptions de moteurs réels). Par exemple, il est normal que le carburant ou l'oxydant soit un gaz liquéfié froid comme l'hydrogène liquide ou l'oxygène liquide. L'un des gros problèmes d'un moteur-fusée à propergol liquide est le refroidissement de la chambre de combustion et de la tuyère, ainsi les liquides cryogéniques sont d'abord mis en circulation autour des pièces surchauffées pour les refroidir. Les pompes doivent générer des pressions extrêmement élevées afin de surmonter la pression créée par le carburant en combustion dans la chambre de combustion. Les moteurs principaux de la navette spatiale utilisent en fait deux étages de pompage et brûlent du carburant pour entraîner les pompes du deuxième étage. Tout ce pompage et ce refroidissement font qu'un moteur à propergol liquide typique ressemble plus à un projet de plomberie détraqué qu'à autre chose - regardez les moteurs sur cette page pour voir ce que je veux dire.
Toutes sortes de combinaisons de carburants sont utilisées dans les moteurs-fusées à propergol liquide. Par exemple:
Cette image d'un moteur ionique au xénon, photographié à travers un port de la chambre à vide où il était testé au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, montre la faible lueur bleue des atomes chargés émis par le moteur. Le moteur à propulsion ionique est la première propulsion non chimique à être utilisée comme moyen principal de propulsion d'un engin spatial. Photo avec l'aimable autorisation de la NASA Nous sommes habitués à voir des moteurs de fusée chimiques qui brûlent leur carburant pour générer de la poussée. Il existe cependant de nombreuses autres façons de générer de la poussée. N'importe quel système qui projette de la masse ferait l'affaire. Si vous pouviez trouver un moyen d'accélérer les balles de baseball à des vitesses extrêmement élevées, vous auriez un moteur de fusée viable. Le seul problème avec une telle approche serait l'« échappement » du baseball (les balles de baseball à grande vitesse en plus) qui s'écoulent dans l'espace. Ce petit problème amène les concepteurs de moteurs-fusées à privilégier les gaz pour le produit d'échappement.
De nombreux moteurs de fusée sont très petits. Par exemple, les propulseurs d'attitude sur les satellites n'ont pas besoin de produire beaucoup de poussée. Une conception de moteur courante trouvée sur les satellites n'utilise aucun "carburant" -- propulseurs à azote sous pression soufflez simplement de l'azote gazeux d'un réservoir à travers une buse. Des propulseurs comme ceux-ci maintenaient Skylab en orbite, et sont également utilisés sur le système de manœuvre habité de la navette.
De nouvelles conceptions de moteurs tentent de trouver des moyens d'accélérer ions ou particules atomiques à des vitesses extrêmement élevées pour créer une poussée plus efficacement. Le vaisseau spatial Deep Space-1 de la NASA a été le premier à utiliser des moteurs ioniques pour la propulsion [source :SPACE.com]. Voir cette page pour une discussion supplémentaire sur les moteurs plasma et ioniques.
Pour plus d'informations sur les moteurs de fusée et les sujets connexes, consultez les liens sur la page suivante.
