Comment fonctionne une fusée spatiale pour quitter la Terre ?

Une fusée spatiale est un véhicule autonome : elle n’a pas besoin de prendre appui sur l’air, le sol ou un autre objet pour avancer. Elle emporte à la fois son carburant et le comburant nécessaire à sa combustion, ce qui lui permet de fonctionner même dans le vide spatial. Pour s’éloigner de la Terre, elle doit produire une poussée suffisante, accélérer malgré la gravité et la résistance de l’atmosphère, puis atteindre une vitesse très élevée. Cette performance repose principalement sur le principe d’action-réaction et sur une gestion extrêmement rigoureuse de la masse.

La poussée des moteurs-fusées

Dans un moteur-fusée, le carburant et le comburant réagissent dans une chambre de combustion. Les gaz produits, très chauds et sous pression, sont accélérés puis expulsés à grande vitesse par une tuyère, généralement vers le bas. En réaction, ces gaz exercent une force opposée sur le moteur et sur l’ensemble de la fusée : c’est le principe d’action-réaction énoncé par Newton. Les moteurs peuvent utiliser différents couples de propergols, par exemple du kérosène et de l’oxygène liquide, ou de l’hydrogène et de l’oxygène liquides. La poussée doit dépasser le poids de la fusée au moment du décollage ; ensuite, les moteurs doivent aussi compenser les pertes dues à la traînée atmosphérique et à la gravité.

Une ascension progressive

Au départ, la fusée traverse les couches les plus denses de l’atmosphère. Elle est alors freinée par la résistance de l’air, tandis que la gravité terrestre continue de l’attirer vers le sol. La trajectoire et la puissance des moteurs sont donc contrôlées pour transformer progressivement la poussée en vitesse et en altitude. À mesure que la fusée monte, l’air se raréfie et la traînée diminue, mais le véhicule doit continuer à accélérer. Les moteurs et la structure sont conçus pour supporter les fortes vibrations, les pressions et les températures associées à la combustion et au passage dans l’atmosphère. Les systèmes de refroidissement des moteurs utilisent notamment les propergols eux-mêmes pour protéger certaines parois de la chaleur.

La vitesse de libération

Pour quitter définitivement l’attraction terrestre, une fusée doit atteindre, dans le cas idéal, une vitesse d’environ 11,2 kilomètres par seconde près de la surface de la Terre. Cette valeur est appelée vitesse de libération. Elle correspond à la vitesse minimale qui permettrait à un objet de s’éloigner indéfiniment de la Terre en l’absence de pertes liées à l’atmosphère et au fonctionnement réel du lancement. En pratique, une fusée doit fournir encore davantage d’énergie, car une partie de sa performance est consacrée à lutter contre la gravité, la traînée et les pertes de trajectoire. La vitesse de libération ne doit pas être confondue avec la vitesse nécessaire pour se placer en orbite : un satellite en orbite terrestre se déplace très rapidement autour de la Terre, mais reste lié à celle-ci au lieu de s’en échapper.

Pourquoi les fusées ont plusieurs étages

Une fusée emporte une masse considérable de propergols, mais aussi des réservoirs, des moteurs et des structures qui deviennent progressivement inutiles une fois leur contenu consommé. C’est pourquoi les lanceurs sont souvent constitués de plusieurs étages. Lorsqu’un étage a épuisé ses propergols, il se sépare du véhicule ; la fusée n’a alors plus à accélérer cette masse devenue inutile. Un étage supérieur, plus léger, peut poursuivre l’accélération avec son propre moteur. Cette technique permet d’atteindre les grandes vitesses indispensables au vol spatial avec une charge utile plus importante qu’une fusée qui conserverait tous ses réservoirs et moteurs jusqu’à la fin de l’ascension. La combinaison de la poussée, de la vitesse et de l’allègement successif rend ainsi possible le départ de la Terre.