Comment fonctionne une fusée ? Poussée, étages et vitesse

Une hélice mord l’air, une roue mord la route, une rame pousse sur l’eau. Une fusée, elle, doit avancer dans un milieu où il n’y a rien pour s’appuyer. L’idée fausse la plus répandue est qu’elle prend appui sur l’air : si c’était vrai, aucun engin ne dépasserait la haute atmosphère. Voici sur quoi une fusée pousse réellement, pourquoi elle se démonte en vol, et quelle vitesse elle doit atteindre.

Elle pousse sur ses propres gaz

Le principe tient en une phrase, et c’est celle d’Isaac Newton : quand un corps A exerce une force sur un corps B, le corps B exerce en retour sur A une force de même grandeur et de sens opposé. Le CNES la rappelle telle quelle dans son dossier sur les lanceurs. À la mise à feu, les moteurs éjectent vers le bas des gaz brûlants à très grande vitesse : c’est l’action. En retour, ces gaz poussent la fusée vers le haut : c’est la réaction, et cette force s’appelle la poussée.

La fusée n’a donc besoin de rien d’extérieur : elle jette derrière elle une matière qu’elle emporte, comme un patineur immobile qui part en arrière en lançant un sac de sable. Elle fonctionne même mieux dans le vide, où aucun frottement ne la freine. Le vide ne gêne pas la poussée ; il ne transporte simplement aucun son, dont la vitesse dans l’air atteint quelques centaines de mètres par seconde.

Reste à fabriquer ces gaz. Un moteur-fusée brûle deux produits appelés ergols : un carburant et un comburant. Un moteur d’automobile prend l’oxygène dans l’air ambiant ; une fusée doit emporter le sien, là où il n’y en a plus. Le couple le plus efficace associe hydrogène et oxygène, au prix de réservoirs cryogéniques : le CNES indique de l’oxygène liquéfié à −182 °C et de l’hydrogène à −253 °C. Ces deux atomes sont les plus légers qui existent, et leur combustion ne produit que de la vapeur d’eau.

Pourquoi elle se vide et se démonte en vol

Le chiffre qui surprend : l’essentiel de la masse d’un lanceur au décollage est de l’ergol. D’après les caractéristiques publiées par le CNES, une Ariane 62 pèse 530 tonnes sur son pas de tir, dont 150 tonnes d’ergols dans l’étage principal, 30 tonnes dans l’étage supérieur et 142 tonnes de propergol solide dans chacun de ses deux propulseurs d’appoint : près de neuf dixièmes de l’engin en matière à brûler et à jeter. Chaque propulseur se vide de ses 142 tonnes en 130 secondes, soit plus d’une tonne par seconde.

D’où le choix de construire les fusées en morceaux. Un réservoir vide ne sert plus à rien, mais il faudrait continuer à l’accélérer : on le largue. Propulseurs d’appoint, premier étage, puis la coiffe qui protège le satellite, lâchée vers 100 kilomètres d’altitude, quand l’air devenu trop rare ne risque plus de l’échauffer. À chaque séparation, l’engin s’allège brutalement et accélère mieux avec les moteurs qui lui restent.

La vraie difficulté n’est pas la hauteur, c’est la vitesse

On imagine volontiers que mettre un satellite en orbite consiste à monter très haut. Un ballon-sonde monte à plusieurs dizaines de kilomètres, et il retombe : ce qui maintient un satellite là-haut n’est pas l’altitude, mais la vitesse horizontale.

L’Agence spatiale européenne donne les ordres de grandeur : pour une orbite circulaire à 300 kilomètres d’altitude, il faut 7,8 kilomètres par seconde, soit 28 000 km/h, et un tour de Terre en 90 minutes. Pour échapper à l’attraction terrestre et viser une autre des planètes du Système solaire, il faut atteindre 11,2 kilomètres par seconde, soit 40 300 km/h : c’est la vitesse de libération.

Ces vitesses s’expliquent entièrement par la mécanique de Newton et de sa loi de la gravitation. Un satellite en orbite tombe en permanence vers la Terre ; il va simplement assez vite, latéralement, pour que sa chute se referme en boucle et ne touche jamais le sol. Le travail d’une fusée consiste donc surtout à communiquer cette vitesse horizontale : elle part à la verticale le temps de traverser l’atmosphère basse, puis s’incline et file presque à plat.

Ce que la Terre offre gratuitement

Un dernier levier est géographique. Le Centre spatial guyanais est installé à 5 degrés de latitude nord, à quelque 500 kilomètres de l’équateur, là où la rotation terrestre entraîne le sol le plus vite : le CNES parle d’un effet de fronde dont le lanceur hérite au décollage, et qui économise du carburant. Un gain acquis sans brûler un gramme d’ergol.

Pour voir le principe à l’œuvre, gonflez un ballon de baudruche et lâchez-le : il part dans la direction opposée à l’air qui s’échappe. L’erreur serait d’en conclure qu’il s’appuie sur l’air de la pièce — sous une cloche à vide, il partirait de la même façon.