I - DÉCOLLAGE
A - Mise en mouvement de la navette
La navette au décollage ne "vole" pas. En effet, elle n'interagit pas avec l'air. Comme une fusée, elle doit seule fournir la puissance pour l'arracher à l'attraction terrestre, ce qui est d'autant plus dur qu'elle est massive: 2040 tonnes au décollage!
La vitesse se mesure en m/s. L'accélération se mesure, elle, en vitesse gagnée par seconde ou m.s-². La force appliquée se mesure en Newtons(N).Sachant que pour se libérer d'une telle attraction, la navette doit conserver durant le décollage une accélération de 15m.s-², tentons de déterminer l'effort que doivent fournir ses moteurs...
un objet immobile sur terre comme la rampe de lancement
La navette spatiale dans son ensemble; orbiter, réservoir et boosters
................................................................................................................................................... >Le poids de la navette: noté Pn, vertical, vers le bas, de norme p=mg, s'applique en G, centre d'inertie de la navette........................................................................................................................................................... >La poussée des réacteurs: noté Pr, verticale, vers le haut, de norme à déterminer, s'applique en G
Comme l'indique le théorème du centre d'inertie de Newton, l'accélération d'un système est égal à la résultante des forces qui s'appliquent dessus, à un coefficient multiplicateur près, sa masse:................................................................................................................................................................ ......→................→.................................................................................................................................................... .Σ(Fext) = m aG.................................................................................................................................................... → ....→.........→...................................................................................................................................................... Pn + Pr = m aG...........................................................................................
Il s'agit maintenant de déterminer la valeur de l'effort à fournir pour le décollage...
Étant donné que toutes les forces s'exercent sur le même axe, il n'est nul besoin de les projeter. Le poids s'appliquant vers le bas, sa valeur algébrique de sa norme sera négative:
Pr = m aG - Pn................................................................................................................................. ....................= 2040.103 x 15 - ( - 2040.103 x 9,81)............................................................................ ....................= 50 612 400 N........................................................................................................... ....................= 50 MN
Au final, les moteurs doivent fournir une force de 20 012 400 + 30 600 000 = 50 612 400 N !! soit plus de 50 MN
En fournissant un force de plus de 50 MN, la navette est propulsée par une force de 30 MN, ce qui lui permet d'atteindre les 15m/s² et d'échapper à l'attraction terrestre...
Heureusement, au fur et à mesure que le carburant est consommé, la fusée s'allège, sa masse et son poids diminue, l'accélération devient plus importante. De plus, avec l'éloignement, la gravité a moins de prise sur la fusée, le poids est donc réduit en avançant vers l'espace.
B - Une propulsion par réaction
Pour fournir une telle force de poussée, la navette utilise le principe d'action-réaction. En éjectant de la matière dans une direction, on se propulse dans la direction opposée, créant une force dépendant de la masse éjectée par unité de temps et de la vitesse d'éjection.
En réalité, la propulsion est d'avantage assurée par un autre principe basé sur la pression exercé par le mélange en combustion sur les paroi de la chambre de combustion:
Les forces F2 et F3, exercées sur les parois de la chambre s'annulent. En revanche, F1 n'est pas annulée et de fait, propulse la navette
Le seul moyen connu actuellement pour arracher une fusée à l'attraction terrestre est la propulsion chimique, bien que dans l'espace, d'autres procédés sont certes utilisables.
les avions à réaction utilisent la combustion d'air comprimé et d'un carburant -généralement le kérosène- pour se propulser. Ce procédé pourrait être employé sur les lanceurs spatiaux, mais seulement pour la première phase de leur vol, avant la sortie de l'atmosphère.
La navette au décollage, emploie un moteur-fusée, ne nécessitant pas l'usage d'air. Elle emporte carburant et comburant, appelés l'un et l'autre ergols, et les met en combustion.
On distingue les moteurs-fusées à ergols solides et les moteurs-fusées à ergols liquides.
La navette spatiale, en pionnier technologique, en possède des deux sortes...- Les boosters - moteur-fusée à ergols solides
Ils utilisent une poudre noyée dans un gel et combinant du carburant (soufre, carbone, ammoniac...) et du comburant (composées oxygénés types sulfates, phosphates...). C'est en fait un explosif lent.
Aux extrémités, la zone étoilée et la zone conique font constamment s'agrandir la surface de combustion. La combustion affecte donc les réactifs proche de la sortie et reste sensiblement constante.
Cette combustion est cependant presque incontrôlable: elle continue jusqu'à épuisement de l'ergol sans qu'on puisse intervenir. On peut parfois la contrôler en ouvrant une vanne de l'autre côté, ce qui crée une contre-poussée mais gaspille énormément de carburant ou en injectant un fluide qui ralentit la réaction; ce procédé est néanmoins peu fiable.
Ce type de moteurs ne présente pas de risques de fuite puisque tous les réactifs sont déjà ensemble. Cependant les moteurs à poudre ne peuvent être employés que pour des temps de combustion bien plus courts que ceux à carburant liquide : au maximum un peu plus de deux minutes. C'est pourquoi les boosters sont lâchés juste après la poussée intense du décollage.
-Le réservoir - moteur-fusée à ergols liquides
Plus performant, plus souple d'utilisation, et moins polluant il occupe la place principale dans la poussée de la navette au décollage. Le moteur à ergol liquides est cependant plus coûteux et moins fiable.
La navette utilise le couple d'ergols O2/H2, car c'est le plus efficace (1 seul gramme d'hydrogène libère 29000 calories) et le moins polluant: il ne dégage que de l'eau
O2 + 2 H2 --> 2 H2O
Cependant, ce couple pose de sérieux problèmes de stockage: il faut utiliser deux fois plus de H2 que d'O2, le H2 étant un gaz très peu dense, on est obligé de le stocker à l'état liquide, ce qui pose des problèmes techniques. > voir d.) problèmes posés au décollage
D - Les problèmes posés au décollage
Le décollage de la navette est la mise en route d'une monstre de puissance: l'oiseau de fer pèse 2000 tonnes au décollage, implique une force de 50 MN de poussée; le bruit est insoutenable et s'entend à plus de 30 km; les flammes sortent à 3 000°C.
La mise en jeu de valeurs physiques et chimiques si importantes posent de sérieux problèmes à nos amis ingénieurs de la NASA.
- Le bruit
Au décollage le bruit est si intense qu'il briserait la Navette 168 dB.
A noter que le seuil de la douleur se situe à 120 dB, et que les décibels évoluent comme une suite géométrique: l'intensité du son double tous les trois décibels, la référence 0 dB étant prise en absence totale de bruit.
Pour le réduire des 2/3 (il passe à 163 dB), on utilise un déluge de 50 000 l/s d'eau, à partir de T-7 secondes. Ceci est très visible, lors de chaque tir, lorsque la caméra montre, en gros plan, l'allumage des moteurs. Ainsi 350 000 litres d'eau sont déversés sur la plate-forme.
- Le stockage
> La sécurité: Le couple utilisé bien que performant et non polluant présente des risque de fuite. Dans ce cas, les deux ergols engendrent une réaction très explosive, responsable du drame de Challenger en 1986
> Le dihydrogène: 1kg de H2 équivaut à 11 200 L !! D'où l'intérêt de la liquéfaction qui en réduit le volume à 14 Litres. Cependant, conserver les réactifs à -220°C est vraiment très coûteux et très difficile à mettre en oeuvre.
- La chaleur
Les moteurs doivent être refroidis car ils sont soumis au passage de gaz à de très hautes températures. On peut employer différentes méthodes:
> Ablatif: des matériaux recouvrant l'intérieur de la tuyère absorbent la chaleur en se sublimant ou en fondant.
> Régénératif: sur un moteur à ergols liquides, un des deux ergols circule dans des tuyaux dans l'épaisseur de la tuyère, lui prenant de la chaleur. Soit cet ergol est rejeté (cycle ouvert) soit il est envoyé dans la chambre de combustion (cycle fermé) ce qui est plus difficile à mettre en oeuvre mais plus économe en ergol.
> Par rayonnement: la chaleur du moteur est diffusée dans le reste de la fusée, qui doit donc être conçue de façon à résister à une forte température.
