Histoire des fusées - Ambitions et limites de cet article

Cette page est un travail demandé à des élèves de troisième, en Cours de technologie (en novembre 2011). Il s'agit de trouver des sources et de réaliser une fiche sur l'histoire et l'évolution des fusées, de leur invention à nos jours.

Qu'est-ce qu'une fusée spatiale (astronautique)

Aujourd’hui, une fusée est un véhicule autopropulsé utilisant le principe de la « réaction » afin d’emporter une « charge utile » (un à plusieurs satellites ou une arme). L’un de ses usages consiste à permettre à la « charge utile » d’échapper à l’attraction terrestre pour une mission dans l’espace profond ou d'être déposée en orbite autour de la Terre.

Les fusées dont nous parlons aujourd'hui sont des objets extrêmement récents. Nos parents (à peine une génération avant nous) les ont vus naître et balbutier. Il y a à peine deux générations (nos grands-parents), ces objets n'existaient pas du tout (comme n'existaient pas l'Internet, la télévision, le téléphone portable, les micro-ordinateurs, les jeux vidéo, les micro-ondes, les baladeurs, le MP3, les CD, les DVD, le téléchargement, les réseaux sociaux, les « fast-food », les SMS, l'Euro, les clés USB, les tablettes, les smartphones, etc. ...).

Le principe de « réaction » (Action - Réaction) - Une fusée est un canon qui recule

La « Réaction » est le principe de base du déplacement de toutes les fusées. Ce principe de base, appelé communément « Action <-> Réaction », est la « Troisième loi de Newton ou Principe des actions réciproques », la troisième des trois lois fondamentales sur le mouvement, énoncées par le savant Isaac Newton en 1687.

Un flux gazeux est éjecté à très grande vitesse par le moteur de la fusée (combustion d’un carburant), vers l’arrière de la fusée, et, en réaction à cette action, une poussée s’exerce sur la fusée, dans un sens opposé, qui la propulse vers l’avant.

Il suffit de gonfler un ballon et de le lâcher pour expérimenter le principe de « réaction ». Le ballon a un comportement erratique (il vole dans tous les sens) tant qu'il n'est pas guidé. On améliore l'expérience en installant une « tuyère » faite avec une paille et un système de guidage de son vol avec une ficelle.

Expérience expliquée
Expérience expliquée (document du Palais de la Découverte)
Expérience en vidéo

Dès le 1er siècle après J.C., l’ingénieur, mécanicien et mathématicien grec Héron d'Alexandrie démontre, pour la première fois, le principe de « réaction » avec l’éolipyle (Æolipylæ ou aeolipile ou aeolipyle ou eolipile). Le flux gazeux qu'il utilise est de la vapeur d’eau. Aucune application pratique n'en découle.

Le principe du moteur à réaction des fusées est de mettre en œuvre, dans un endroit appelé « chambre de combustion », la combustion entre différents réactifs ( ergols solides ou liquides ) qui donnera l'énergie nécessaire à la propulsion. Le moteur est donc toujours constitué d'une « chambre de combustion » et d'une « tuyère » par où s'échappent les gaz produits par la réaction.


Lorsque l'on tire un coup de canon, une explosion instantanée exerce des forces (des poussées) dans toutes les directions. Toutes ces forces sont égales. Celles qui s'exercent contre les parois du tube du canon s'équibrent donc. Mais celles qui s'exercent vers la bouche ouverte du canon ne rencontre aucune opposition et se précipitent dans cette direction. Si on a introduit un obus dans le fût du canon, celui-ci est propulsé par l'extrémité ouverte du fût du canon et il vole sur un kilomètre ou deux. Dans le même temps, une légère opposition, due à l'inertie de l'obus, le temps qu'il s'échappe, s'exerce. Cette opposition dans un sens est équilibrée par une force identique qui s'exerce dans l'autre sens : le canon lui-même est poussé vers l'arrière d'un mètre ou deux. C'est le principe "action et réaction" (« Troisième loi de Newton ou Principe des actions réciproques »). Les forces agissant simultanément sur le canon et sur l'obus, sont les mêmes mais l'obus a une faible masse et reçoit une importante accélération tandis que le fût du canon a une énorme masse et reçoit une faible accélération.

Avec une fusée, la masse du fût du canon est remplacée par la masse du corps de la fusée et la masse de l'obus éjecté est remplacée par la masse des gaz éjectés. Les "forces" (les "poussées") sont produites par une explosion contrôlée qui intervient dans la "chambre de combustion" du moteur de la fusée. Le gaz (l'obus) est alors éjecté (propulsé) d'un côté et la fusée (le fût du canon) est propulsé de l'autre côté.

La "force" (la "poussée") est suffisamment gigantesque pour que la masse colossale de la fusée soit arrachée à l'attraction terrestre et s'élève.

Un autre paramètre, inexistant avec les canons, entre en ligne de compte avec les fusées : au décollage, la masse de la fusée est quasi entièrement constituée du poids de ses ergols. La masse de la charge utile d'une fusée (le poids du satellite à lancer) est inférieure à 10% de la masse totale de la fusée à son décollage. Mais, au fur et à mesure que les ergols sont consommés, la masse de la fusée (la masse du fût du canon) diminue tandis que la poussée reste constante. En conséquence, l'accélération de la fusée augmente.

Un autre paramètre est la gravité qui diminue plus on s'élève, jusqu'à disparaître.

Histoire des fusées : Exploitation de la Force centrifuge due à la rotation de la Terre

La Terre tournant sur elle-même, une force centrifuge tend à expulser dans l'espace ce qui se trouve à la surface de la Terre. Mais, heureusement, la gravité, plus forte que la force centrifuge, nous retient. Cette force centrifuge est plus forte à l'équateur et diminue, pour devenir nulle, lorsqu'on se rapproche d'un des pôles de la Terre. Si la Terre tournait 17 fois plus vite, la force centrifuge serait plus grande que la gravitation et les êtres humains situés sur l'équateur seraient éjectés dans l'espace.

Il est donc extrêmement bénéfique de lancer les fusées depuis une base de lancement la plus proche possible de l'équateur. Dans l'hémisphère Nord, les pays lanceurs de fusée utilisent leur territoire le plus au Sud pour y construire une base de lancement. Ainsi les Etats-Unis utilisent Cap Canaveral, en Floride (latitude 28°5) et la Russie utilise Baïkonour, qu'elle loue au Kazakhtan depuis l'éclatement de l'Union Sociétique (latitude 46°). La France bénéficie d'un emplacement exeptionnel, en Guyane, à Kourou (latitude 5°).

Par rapport à un emplacement directement situé sur l'équateur, il faut, à conditions égales :

• Lancement depuis Kourou : 0,9 % d'énergie en plus
  
• Lancement depuis Cap Canaveral : 27,1 % d'énergie en plus
  
• Lancement depuis Baïkonour : 55 % d'énergie en plus
  

On comprend que "Soyouz déménage à Kourou" : la charge utile de Soyouz, le lanceur le plus vendu au monde, double quasiment lors d'un lancement depuis Kourou par rapport à un lancement depuis Baïkonour.

Histoire des fusées : Carburant des fusées : les « propergols »

Les fusées doivent pouvoir fonctionner même en l'absence d'air et donc en l'absence d'oxygène (dans le vide spatial, il n'y a pas d'air).

Toute source d’énergie chimique (énergies obtenues par des réactions chimiques) destinée à servir d’agent de propulsion en l’absence d’atmosphère terrestre porte le nom de « propergols ». La réaction chimique est obtenue en mettant en présence un comburant (oxydant - liste de comburants) et un carburant (réducteur - liste de réducteurs), tous deux appelés "ergol".

Les fusées emportent ces "ergols" dans des réservoirs, sous forme solide (poudres solidifiées...) ou sous forme liquide (à très basse température). Le propergol utilisé peut être constitué d'un à plusieurs ergols, maintenus séparés ou mélangés pour former un composé.

La réaction chimique utilisée est une réaction d'oxydation n'utilisant pas d'oxygène (plus exactement, du "dioxygène", une molécule composée de deux atomes d'oxygène) comme comburant, mais des oxydants plus énergétiques.

Ce mode de propulsion s’impose pour les missiles à longue portée (les missiles balistiques intercontinentaux capables d'attaquer les Etats-Unis depuis la Russie et inversement) et pour tous les engins quittant l’atmosphère terrestre.

Les recherches sur les propergols portent sur les réactions chimiques dégageant le plus d'énergie (les réactions chimiques les plus violentes). Une réaction chimique dégageant du gaz peut être observée en versant de l'acide chlorhydrique sur de la craie. La « violence » d'une telle réaction chimique est « insignifiante » et ne sera jamais utilisé pour propulser quoi que ce soit.

Selon leur forme, liquide ou solide, les conditions d’utilisation sont complètement différentes.

• Histoire des fusées - Les « propergols » solides

  Les premières matières à propulsions, solides, remontent aux chinois en 950 de notre ère. En 1044, un écrit de techniques militaires commente la caractéristique fusante d'un mélange utilisé depuis cent ans ("Inventaire des techniques militaires les plus importantes", le "Wujing Zongyao" de Zeng Gongliang). Voir, plus bas, plus de détails sur cet ouvrage.
  
  Les « booster » actuels des navettes spatiales américaines ou de la fusée européenne Ariane utilisent des « ergols » solides. Ces ergols ont la consistance d'une gomme dure.
  
  Principaux ergols solides :
  
  
  • Perchlorate d'ammonium
    
  • Nitrate de potassium
    
  
  
  
  
  Fusées - Booster à propergols solides de la Navette Spatiale
  
  
  
  
  
  Fusées - Booster à propergols solides de la fusée européenne Ariane
  (Elle est également dotée d'un moteur à propergols liquides, allumé mais n'exerçant pas de poussée tant que les booster ne sont pas largués)
  
  
  La propulsion à propergols solides sur le site de Futura Sciences
  Animation - Décollage d'une fusée
  

• Histoire des fusées - Les « propergols » liquides

  Le premier « propergol » liquide semble remonter à 1895-1897, époque à laquelle Pedro A. Paulet, ingénieur péruvien, aurait utilisé l’action du peroxyde d’azote sur de l’essence pour lancer des fusées.
  
  Le combustible et le comburant (les deux « ergols ») sont stockés séparément, à l'état liquide et à basse pression (de l'ordre de 2 bars), dans deux réservoirs (sphères de stockage). A l'allumage du moteur, les deux « ergols » sont injectés conjointement dans la chambre de combustion du moteur, sous très haute pression, grâce à des turbopompes. Ils entrent en réaction chimique. La réaction chimique crée une combustion très vive qui produit une grande quantité de gaz à haute température (de l'ordre de 3000°) et haute pression. Ces gaz s'échappent dans la tuyère à des vitesses de l'ordre de 2000 m/s à 3000m/s (plus de 10.000 Km/h).
  
  Principaux ergols liquides :
  
  
  • Réducteurs (carburants)
    • hydrogène liquide (LH2)
    • hydrazine, essentiellement utilisée seule (monergol) dans les moteurs ré-allumables à faible poussée et grande précision permettant le RCS (Reaction Control System) : système de pilotage par jets de gaz. C'est le sous-système d'un véhicule spatial qui a pour but d'orienter le vaisseau dans l'espace, et à fournir des poussées faibles et précises afin d'ajuster finement son orbite, ou sa trajectoire (systèmes d'amarrage, manœuvres etc. ...).
    • hydrate d'hydrazine
    • monométhylhydrazine (MMH)
    • diméthylhydrazine asymétrique (UDMH)
    • RP-1 (kérosène ultra-raffiné)
    • Sintin (kérosène de synthèse qui fut utilisé par Soyouz-U2)
    • éthanol
    • éther éthylique
    • essence de térébenthine
  • Oxydants (comburants)
    • oxygène liquide (LOX)
    • peroxyde d'azote (NTO)
    • peroxyde d'hydrogène
    • acide nitrique fumant rouge inhibé (IRFNA)
    • acide perchlorique
    • tétrafluorohydrazine
    • fluor liquide
    • fluorure d'oxygène
  
  
  
  
  Fusées - Extrême complexité d'un moteur à propergols liquides
  
  
  La propulsion à propergols liquides sur le site de Futura Sciences
  

• Histoire des fusées - Différences entre propergols solides et liquides

  • Les propergols solides sont "allumés" et ne peuvent plus être éteints jusqu'à leur épuisement, contrairement aux propergols liquides qui peuvent être allumés et éteints en vol (impossibilité d'extinction complète en cas d'incident, contrairement aux propergols solides - se souvenir de l'accident de la navette spatiale américaine Challenger, le 28 janvier 1986, qui se traduisit par la désintégration de la navette 73 secondes après son décollage, provoquant la mort des sept astronautes, à cause de la défaillance d'un joint du booster droit).
    
  • La poussée par propergols solides ne peut pas être contrôlée et n'est gérée, d'une manière très limitée, que par la forme donnée à la masse du propergol solide, contrairement à la poussée des moteurs à propergols liquides qui peut être pilotée.
    
  • La poussée des propergols solides est plus importante que celle des propergols liquides, raison pour laquelle ils sont utilisés dans des "booster" chargés d'arracher la fusée du sol.
    
  • La fiabilité des moteurs à propergols solides est plus grande (simplicité) que celles des moteurs à propergols liquides.
    
  • Les tests avant décollage des moteurs à propergols solides sont impossibles (dès qu'ils sont alumés, les propergols solides se consument entièrement). Mais les boosters vides, une fois largués, sont récupérés (par des navires) et réutilisés (une vingtaine de fois). Les moteurs à propergols liquides peuvent être testés avant décollage.
    

• Histoire des fusées - Méthodes de déplacements proposées par la science fiction

  Voir la page Histoire des fusées - Autres méthodes de déplacements proposées par la science fiction
  

Histoire des fusées - Evolution des fusées depuis 1960

Cette évolution va porter sur l'architecture (le découpage en "étages"), les carburants, la taille des fusées, la capacité d'emport d'une charge utile (et, consécutivement, les technologies de communication : obligation de communiquer dans les deux sens avec des propulseurs et des objets allant de plus en plus loin). Le but est de placer des charges utiles, de plus en plus lourdes et nombreuses, en orbite terrestre ou dans l'espace profond.

En ce qui concerne le "découpage en étage" des propulseurs des fusées, la fusée de Tintin, qui n'a qu'un seul étage et décole pour aller tout droit sur la Lune, appartient au mythe des"LOME : Lanceurs Orbitaux Mono Etage" ("SSTO : single stage to orbit") qui ne pourraient fonctionner qu'avec des moteurs dont nous n'avons aucune idée à ce jour. Plusieurs projets de ce type ont été étudiés (HOTOL, Skylon, McDonnell Douglas DC-X, Lockheed-Martin VentureStar, le Lockheed-Martin X-33, le Roton SSTO, Rockwell X-30...) mais aucun n'a jusqu'à présent abouti car le concept nécessite d'effectuer plusieurs percées technologiques (merci à Carcharodon sur Futura-Sciences).

Exemples de projets SSTO abandonnés

Rockwell X-30	Lockheed-Martin VentureStar	Lockheed-Martin X-33
HOTOL	Skylon	McDonnell Douglas DC-X

Sans moteurs ré-allumables (et propergols permettant d'éteindre et ré-allumer les moteurs), il n'y a pas de RCS (Reaction Control System) : système de pilotage par jets de gaz, et donc il n'y a pas d'engins spatiaux.

LEO (Low Earth Orbit) : Orbite terrestre basse
GTO (Geostationary Transfert Orbit) : Orbite de transfert géostationnaire
EV : (Escape Velocity) Vitesse de Libération : la charge utile échappe à l'attraction gravitationnelle (attraction terrestre)

			Charge utile (tonnes)
Lanceur	Faiseur	Date 1er vol	LEO	GTO	EV	Masse (tonnes)	Hauteur	Etages	Vols réussis nbre vols	Remarques	Statut actuel (2011)
Vostok_K	Union Soviétique	22 déc 1960	4,73			287	38 à 41	3	11/13	Lanceur utilisé pour le vol Vostok-1 embarquant le premier homme dans l'espae.	Arrêté 10 juillet 1964
Proton	Union Soviétique  Russie	1965	22	6	-	694	62	Proton K : 3 étages Proton M : 4 étages	347/361	361 lancements. 93,15% de réussite depuis le 18 août 1970. Principal concurrent d'Ariane 5 sur le marché de lancements de satellites commerciaux.	En opération
Saturn V	États-Unis	1967	118	-	47	3039	110	3 (2 pour Skylab)	13/13	Saturn V reste, encore en 2011, le lanceur spatial le plus imposant qui ait été utilisé en opération, que ce soit du point de vue de la hauteur, de la masse au décollage ou de la masse de la charge utile injectée en orbite.	Arrêtée
Space Shuttle	États-Unis	1981	24,4	3,8	-	2040	56	Orbiter (la navette - réutilisable) Un réservoir externe (perdu) Deux propulseurs d'appoint (réutilisables)	133/135	Navette Spatiale américaine Vols habités. 36 missions concernent l'ISS (la Station Spatiale Internationnale) 11 missions concernent le ravitaillement et la relève des équipages de la station russe MIR	Arrêtée en juillet 2011
Delta II	États-Unis	1989	2,7-6,1	0,9 à 2,17	1,5	152-232	39	2 ou 3	148/150	3, 4 ou 9 propulseurs d'appoint.	En opération
Titan IV A Titan IV B	États-Unis	IV A : 1994 IV B : 1997	21,7	IV B : 5,8		943 à 2855	44 à 61,2	IV A : 1 à 2 IV B : 2 à 3	15/17	Conçu en 1984 lorsqu'il devient évident que la Navette Spatiale ne tiendra pas ses promesses d'économie et de grande disponibilité.	Arrêtée en 2005 (coût trop élevé)
Longue Marche 2F	Chine	1999	8,4	3,4		464	62	2	8/8	Dédiée aux vols habités	En opération
Zenit	Ukraine	1999	11 à 13	5,3		372 à 472	39,4 à 59,6	2 à 3	26/29	Les Zenit 1, 2, 2 SLB et 3SLB sont lancés depuis Baïkonour. Zenit-3SL est lancé depuis une plateforme mobile en mer	En opération
GSLV	Inde	2001	5	2,5		402	49	3	3 échecs et un échec partiel sur 7 lancements		En opération
Soyouz-FG	Russie	2001	7,1	1,7 (2,8 lorsque lancée depuis la base française de Kourou, en Guyane)		305	49,5	3 à 4	17/17	Premiers vols de la série en 1966 (plus de 1700 vols)	En opération
Ariane 5 ECA	Union européenne	2002	21	9,6		780	56	2	58/60		En opération
Atlas V	États-Unis	2002	12,5 à 20	5 à 9		335 à 573	58,3	2	26 (et un échec partiel (orbite trop basse)/27		En opération
Delta IV Heavy	États-Unis	2004	22	13	8	733	77,2		2 (et un échec partiel)/3		En opération
H2A 204	Japon	2006	15	6		445	53	2	1/1	H2A version 204 est le plus puissant d'une famille qui comprend d'autres modèles. Premier lancement 2001. 14 lancements réussis sur 15.	En opération
Ares I	États-Unis	2009	25	-		982	94	2	1 vol d'essai (succès) en version simplifiée	Initialement dédiée aux vols habités, son développement a été abandonné en 2010	Dévelop-pement abandonné
Falcon 9	États-Unis	2009	10,5	4,5		325	54	2	2/2	Lanceur réutilisable	En dévelop-pement
Vega	Union européenne	Prévision 2012	1,5	0,3		137	30	4	0	Petit lanceur devant compléter la gamme Arianne 5 et Soyouz exploitée par Arianespace.	En dévelop-pement
Angara A5	Russie	2011	24,5	4,5		759	55,4	3	0	Il s'agit d'une famille de lanceurs, la version A5 étant la plus puissante. Devraient remplacer les lanceurs Proton qui utilisent des ergols polluant.	En dévelop-pement
Ares V	États-Unis	Etait prévu pour 2019	188	-	71	?	116		0	Etait prévu pour placer en orbite les charges lourdes nécessaires aux missions du programme Constellation (projet d'exploration spatiale commençant par des missions de longue durée sur la Lune vers 2020 puis des missions habitées sur Mars vers 2037) qui a été arrêté le 11 octobre 2010.	Dévelop-pement abandonné

Histoire des fusées : depuis la découverte des salpètre et soufre, au 6ème siècle avant J.C.

Voir la page Histoire des fusées : depuis la découverte du salpètre et du soufre, au VIème siècle avant J.C.

Histoire des fusées : Le marché économique de l'espace

Environ 150 "charges utiles" sont lancées chaque année. Les lanceurs pouvant embarquer plusieurs "charges utiles", c'est environ 70 lanceurs qui sont lancés chaque année. Le marché des lancements, qui était en plein essor dans les années 1980 (satellites de télécommunications (internet, télévision, télécommunications)...) est en diminution actuellement (2011). Le lanceur européen Ariane, plus récent que les autres et grâce à un pas de tir proche de l'équateur, détient environ 50% du marché.

Selon une étude récente (11 juin 2011 - en anglais) du NSR (Northern Sky Research), il y aurait 1600 satellites (civils, militaires, de télécommunication - téléphonie - télévision, météorologiques, scientifiques...) à mettre sur orbite d'ici 15 ans. Ceci représente un marché de 250 milliards de dollars.

Le coût moyen du lancement seul d'un satellite de 500 Kg est d'environ 45 à 50 millions d'Euros auquel il faut ajouter le coût de conception et fabrication du satellite et le coût du suivi de ce satellite durant des années après son lancement.

Le coût moyen du lancement seul d'un satellite de 3 tonnes est d'environ 150 millions d'Euros (et la prochaine version d'Ariane 5 est prévue pour lancer des charges utiles de 12 tonnes).

Histoire des fusées : Lexique

LEO (Low Earth Orbit) : Orbite terrestre basse
GTO (Geostationary Transfert Orbit) : Orbite de transfert géostationnaire
EV : (Escape Velocity) Vitesse de Libération : la charge utile échappe à l'attraction gravitationnelle (attraction terrestre)
RCS (Reaction Control System) : système de pilotage par jets de gaz. C'est le sous-système d'un véhicule spatial qui a pour but d'orienter le vaisseau dans l'espace, et à fournir des poussées faibles et précises afin d'ajuster finement son orbite, ou sa trajectoire.

Histoire des fusées : Liens externes

Kosmonavtika (un site plutôt consacré à l'astronautique soviétique puis russe, par Nicolas Pillet)
Petite chronologie des grands noms de l'astronautique
Les propergols
Thèse de doctorat d'Antoine Dauptain (juin 2006) avec histoire des moteurs de fusées et marché actuel des lanceurs.
Chronologie 1 de quelques personnages impliqués dans le développement des fusées (et encyclopédie de la Science).
Chronologie 2 de quelques personnages impliqués dans le développement des fusées.
Quelques grands noms de l'astronautique
Conrad Haas 1
Conrad Haas 2 (allemand)
Conrad Haas 3 (allemand)
Conrad Haas 4 (catalogue de la maison d'édition allemande Johannis Reeg Verlag)
Conrad Haas 5 (un article de presse en allemand dans le Frankfurter Allgemeine Zeitung - 30.12.2009)
Conrad Haas 6 (allemand : Il y a 430 ans mourrait l'un des principaux pionniers des fusées et humaniste Conrad Haas)
Discussion : Conrad Haas
Symposium sur l'histoire de l'astronautique à Mar del Plata (Argentine) en octobre 1969
Une fusée baptisée Haas, en homage à Conrad Haas
Séquence animée (film) de 3'13 du projet de fusée baptisée Haas, inscrit à la compétition Google Lunar X Prize.
Histoire de l'Autriche dans l'espace
Le mystérieux manuscrit de Sibiu (roumain)
Théorie du mouvement et du tir des fusées (16 pages de texte, sans équation)
Récupération des booster d'Ariane V - Photos