LA PROPULSION CHIMIQUE.

Pour se propulser, une fusée à propulsion chimique éjecte des gaz à la plus haute vitesse possible. Plus la vitesse d'éjection est grande, plus le moteur est performant et économe.

Pour que l'éjection se fasse rapidement, il est important que les gaz soient très chauds, légers, et même si cela a un peu moins d'importance, sous forte pression (voir, s'il le faut, la formule expliquée donnant la vitesse d'éjection théorique d'un gaz à la page: Astronautique1).

Pour y parvenir, il faut donc produire une réaction chimique très énergétique entre 2 substances (les ergols) dans une chambre de combustion dont la forme est spécialement étudiée pour transformer la température et la pression en vitesse d'éjection (voir, si besoin les pages: l'ultime frontière, l'ultime frontière suite, et les fusées à étages qui commencent ici).

Cette réaction chimique très énergétique est presque toujours une combustion. Pour obtenir une combustion il faut un combustible (le carburant, ou plus généralement: "ce qui brûle") et un comburant (ce qui fait brûler, souvent l'oxygène, mais pas seulement).

Les moteurs à propergols liquides.

Le combustible et le comburant sont liquides et sont donc stockés dans des réservoirs. Ils sont amenés à la chambre de combustion grâce à des canalisations et des pompes.
Les pompes sont entrainées par une turbine.

Il existe deux façons principales d'entrainer la turbine:

1. par une chambre de précombustion.
2. par la dilatation des gaz réchauffés dans la double paroi du moteur en le refroidissant.

1) Le moteur à chambre de précombustion.

Les ergols sont aspirés dans les réservoirs (1 et 2) par les turbo-pompes (3 et 4).

L'un des deux, de préférence le plus froid, circule dans la double-paroi de la chambre de combustion (5) (pour assurer le refroidissement).

Les turbopompes sont entrainées par une turbine mue par le souffle sortant de la chambre de précombustion (7).

Cette chambre de précombustion reçoit LA TOTALITÉ de l'ergol ayant refroidi la chambre de combustion (5), et une PETITE PARTIE seulement de l'autre.

Il y a donc, dans cette chambre de précombustion, un excès important d'un ergol par rapport à l'autre. Il s'ensuit que la réaction qui s'y produit est une combustion très partielle, et à une température supportable par la turbine.

Au démarrage, la mise en route de la turbine est assurée par le souffle d'un gaz stocké dans un petit réservoir sous pression (8).

Après avoir entrainé la turbine, le mélange de gaz brulés (minoritaire), et d'ergol en excès n'ayant pas réagi dans la chambre de précombustion (très largement majoritaire), est injecté dans la chambre de combustion (5) par la canalisation (6).

La chambre de combustion reçoit donc un des ergols directement depuis la turbopompe (4) et l'autre après un petit détour par la canalisation (6). Les deux ergols réagissent ensembles dans la chambre de combustion produisant des gaz très chauds sous forte pression qui se detendent dans la tuyère, et sont éjectés à grande vitesse.

2) Le moteur à turbine utilisant la dilatation de l'ergol ayant servit au refroidissement du moteur (topping cycle).

Les choses se passent comme pour l'exemple précédent (à chambre de précombustion), sauf pour l'entrainement de la turbine.

L'ergol venant du réservoir 1 circule dans la double paroi entourant le moteur pour le refroidir. En se réchauffant il s'évapore et se dilate fortement et brutalement; une soupape force la dilatation à ne se faire qu'en direction de la turbine qui reçoit alors un véritable jet de gaz qui la met en mouvement.
Un reservoir de gaz sous pression (7) assure le fonctionnement de la turbine au démarrage du moteur.

Il éxiste un autre système permettant d'injecter le combustible et le comburant dans la chambre de combustion, c'est le refoulement; en d'autre terme: la mise sous pression des réservoirs.

Dans ce cas, les ergols sont chassés vers la chambre de combustion par la pression des gaz issus des bouteilles 4 et 5; un des deux ergol continue quand même à circuler autour du moteur pour le refroidir.

Ce système (plus simple) oblige à concevoir des réservoirs à parois plus épaisses pour résister à la pression. Ces réservoirs sont donc plus lourd, ce qui est un désavantage car cela alourdi ainsi toute la fusée.

L'alimentation par refoulement sera donc réservée aux cas où la simplicité et la fiabilité sont des priorités (ex: le moteur du CSM et du LEM d'Apollo).

Remarque: le refroidissement du moteur par circulation d'un ergol dans une double paroi (ou un serpentin) entourant ce moteur ne peut fonctionner correctement que si au moins un des ergol est cryogénique, c'est à dire à très très basse température (oxygène liquide à -183°, ou hydrogène liquide à -253°, par exemple).

Lorsqu'on utilise des propergols non cryogénique (ex: acide nitrique + diméthylhydrazine dissymétrique, ou UDMH), il faut utiliser un autre système pour protéger les parois du moteur et de la tuyère des très haute températures.
On a le choix entre:

1. Le refroidissement par film de gaz.
2. Le refroidissement par ablation.

1) Le refroidissement par film de gaz:

La chambre de combustion et la tuyère (surtout au niveau du col, zone très "exposée") sont percées de petits trous par lesquels un peu d'un des ergols (souvent le combustible) est injecté.

Tout le comburant injecté dans la chambre réagit avec le combustible en provenance des injecteurs principaux. Il ne reste donc pas de comburant pour brûler le supplément de combustible injecté près de la paroi.

Ce supplément de combustible ne brûle donc pas et sert à former un fin matelas (un film) de gaz plus froid au contact de la paroi qui ainsi protégée.

Le film de gaz est ici représenté en rouge.

2) Le refroidissement par ablation.

Dans ce système, il s'agit aussi de former un film de gaz protecteur près de la paroi, mais SANS qu'il soit nécessaire d'injecter quelque fluide que ce soit.

Le gaz qui formera le matelas protecteur provient de la vaporisation (l'évaporation) d'une substance solide qui tapisse la paroi dès l'origine.

La substance solide ablative en violet, et le film de gaz protecteur qui s'en dégage en rouge.