Les moteurs à propergols solides et hybrides.

Les solides:

Il sont simplissimes, le corps de la fusée est tout à la fois l'unique réservoir et la chambre de combustion.

A gauche, la configuration habituelle avec un canal central (circulaire ou "en étoile").
A droite, une configuration rare: le corps de la fusée est intégralement rempli.
Sous chaque modèle: la vue en coupe du "bloc" de propergol solide.

Dans le cas représenté à droite (corps rempli), la combustion ne peut se faire que sur la tranche, comme une cigarette.

La surface de combustion étant faible, la poussée, elle aussi est faible.

Autre désavantage, au fur et à mesure que progresse le front de combustion la diminution du bloc de propergol solide met à jour la paroi de la fusée qui est ainsi exposée aux hautes températures, et doit donc en être protégée ce qui rajoute du poids.

Dans le cas représenté à gauche (canal central), la combustion se fait, dès le départ, sur toute la surface interne du canal.

La surface de combustion est nettement plus importante, donc la poussée aussi.
Le front de combustion ne rejoint la paroi qu'à la fin, elle subit donc moins de contrainte thermique, et doit surtout résister à la pression.

Le canal circulaire (le plus simple) est peu utilisé car il produit une poussée croissante (la surface de combustion augmente au fur et à mesure que le diamètre du canal augmente).

Le canal en étoile est préféré car il donne une poussée maximale au début (les branches de l'étoile offrent une grande surface), lorsque la fusée est la plus "lourde", et ensuite une poussée décroissante à mesure que la fusée s'allège en consommant le bloc de propergol solide (les branches de l'étoile s'érodent, s'arrondissent, et diparaissent pour se rapprocher d'un cercle en fin de combustion).

On peut aussi combiner une combustion radiale (canal central) suivie d'une combustion "en cigarette" pour la fin, si le canal ne va pas jusqu'au bout du bloc, comme ceci:

Pour éviter une combustion "en cigarette" à partir de la section arrière du bloc, celle-ci est recouverte d'une couche incombustible (en noir sur les dessins).

Les propulseurs à propergols solides sont simples et fiables, mais ils ne sont pas sans défaut. Les principaux sont:

Impossibilité de faire varier la poussée ou d'éteindre le moteur avant la fin de la combustion.

Une vitesse d'éjection, donc une impulsion spécifique plus faible que pour les moteurs à propergol liquides.

L'impulsion spécifique est la poussée par unité de poids de propergol consommés.

Ou, la poussée (F) divisée par le produit du débit massique (Dm) par l'accélération de la pesanteur (g) (La masse multipliée par g donne le poids).
Donc: Isp = F/Dm*g
F s'exprime en Newton, et un Newton (N) = 1 Kg * 1 m/s², d'après la formule F = m * a.
Dm s'exprime en Kg/sec, et g en m/s².

En remplaçant, au numérateur, l'unité N par Kg * m/s², et en simplifiant, on s'aperçoit que l'Isp s'exprime en seconde.
D'où il vient que: l'impulsion spécifique (Isp) est le temps en seconde pendant lequel 1Kg (poids) de propergol assure une poussée de 1Kg (9.81N).

Reprenons la formule: Isp = F/Dm*g, et puisque la poussée F d'un moteur fusée est F=Dm*Ve (voir:**), Isp = F/Dm*g devient: Isp = Dm*Ve/Dm*g = Ve/g. puisque g=9.81m/s², on a: Isp=Ve/9.81.

L'impulsion spécifique est la vitesse d'éjection divisée par 9.81 (g), et la vitesse d'éjection des gaz d'un moteur fusée vaut 9.81 fois son impulsion spécifique Ve=9.81*Isp.

(**) (la poussée est le produit du débit massique par la vitesse d'éjection des gaz, voir si besoin: l'ultime frontière, l'ultime frontière suite, les fusées à étages, ici, ou en rappel résumé: astronautique1)

L'impulsion spécifique permet ainsi de comparer des moteurs, des propergols, ou des systèmes de propulsion en général. Plus l'Isp est élevée, plus le moteur est économique et performant.

Quelques exemples:

L'Isp du couple oxygène liquide - hydrogène liquide est de plus de 400 secondes.
L'Isp du couple oxygène liquide - kérozène est de plus de 300 secondes (moteur RD-107).
L'Isp d'un propergol solide atteint péniblement 270 secondes.

D'un autre côté, les propergols solides, plus compactes, permettent à la fusée, d'avoir, à masse égale, une taille plus fine, et donc, pour la partie du vol qui traverse l'atmosphère, moins de trainée aérodynamique.

La trainée aérodynamique de la fusée Saturn V pouvait atteindre jusqu'à 40 tonnes!!!

En tenant compte de cela, les propergols solides peuvent même être parfois plus avantageux que les liquides pour le premier étage (c'est le cas du lanceur Ares I).

Pour en terminer, les fusées à propergol solides sont souvent appelée: fusée à poudre.
Cela provient du fait que les premières fusées de ce type utilisaient la poudre noire (aux performances très, très pauvres) comme propergol.

De nos jours, les "blocs" de propergols solides ont plutôt la consistance de la gomme ou du plastique.

LES HYBRIDES:

Plus simples que les moteurs à propergols liquides, plus souples et souvent plus performant que les moteurs à propergols solides, il éxiste un troisième type de moteur fusée chimique: les moteurs hybrides ou lithergolique.

Un des ergols, souvent le combustible, est solide (en rouge), l'autre, souvent le comburant, est liquide, et est donc stocké dans un réservoir (bleu).

L'injection du liquide (comburant) se fait normalement par refoulement (mise sous pression du réservoir par une bouteille de gaz, ici dessinée en vert).

Le bloc de combustible est nécessairement percé d'un canal pour permettre d'y injecter le comburant; ce canal peut être cylindrique ou en étoile, peu importe, la poussée est commandée par le débit de comburant injecté dans le canal.

Avantages sur les moteurs "à solide":

1. Comme pour les moteurs à liquides, il est possible de faire varier la poussée, et même de l'interrompre, en agissant simplement sur l'injection de l'ergol liquide.
2. L'impulsion spécifique que l'on peut en attendre est souvent bien meilleure que pour les solides.

Exemples:

Avec de l'acide nitrique (comburant liquide), et une matière plastique contenant une poudre métallique (combustible solide), on obtient une Isp d'environ 300 secondes.
Mieux, avec de l'eau oxygénée (comburant liquide) et de l'hydrure de Béryllium dans un liant solide (combustible solide), on obtient une Isp de plus de 400 secondes.

Avantage sur les moteurs "à liquides":

Un seul circuit d'alimentation d'ergol liquide, d'où une plus grande simplicité.

Etant donnés ces avantages, pourquoi les moteurs lithergoliques ont-ils été si peu développés?

Les propergols liquides ont bénéficiés, dès les débuts de l'astronautique, d'une meilleurs image due à leurs performances.

Les propergols solides ont rapidement attiré l'attention des militaires pour leur simplicité, leur fiabilité, et leur stockabilité sur de longues périodes.

Les uns comme les autres ont donc, et pour des raisons différentes, bénéficiés très tôt de subsides permettant de faire des recherches en vue de les améliorer, ce qui n'est pas le cas des moteurs à propergols hybrides.

Aujourd'hui, le plus connu des engins à propulsion lithergolique, c'est Space Ship One.