Différentes réactions dans les étages d'une fusée.

Bonjour,

Dans le cadre d'un projet d'application de la physique en licence, j'ai choisi d'appréhender la propulsion d'Ariane. Le décollage d'une fusée se fait suivant plusieurs étapes, dont la première, résulte du démarrage des EAP - Étage d' Accélération à Poudre. Le combustible est un ergol solide constitué de perchlorate
d'ammonium et d'aluminium qui permet de fournir une poussée de 6500 kN. Les étages suivants connaissent cependant une réaction différente de dihydrogène et de dioxygène.

Ce que j'aimerais savoir c'est pourquoi ne pas tout faire en O₂ et H₂. Est-ce par raison économique?

En tout cas, je ne vois pas pourquoi il serait impossible de fournir la poussée nécessaire au décollage avec ce type de réaction. Ou alors est-ce un problème de stockage...

Si vous pouviez m'éclairer

Merci d'avance!

C'est une question très intelligente !

La technologie cryotechnique, c'est à dire utilisant des ergols froids comme l'hydrogène liquide (LH2) et/ou l'oxygène liquide (LOX) est extrêmement complexe à mettre en œuvre.

Le moteur Vulcain 2, le plus puissant jamais construit en Europe, ne fait "que" 1 340kN de poussée.
Pour info, le moteur le plus puissant du monde, le RD-170 russe, fait 8 000kN de poussée, il utilise du LOX et du kérosène.
Quand on a créé Ariane 5, on voulait atteindre un très haut niveau de puissance, et on a pensé que c'était plus simple d'utiliser des propergols solides.
Les Américains ont fait le même choix que nous pour la navette spatiale.
En revanche, les Soviétiques avaient choisi d'utiliser quatre RD-170 (!).

La question est : pourquoi, à poussée équivalente, est-ce plus simple d'utiliser des propergols solides ?

Tout d'abord, maintenir des centaines de milliers de litres d'ergols quelques Kelvin au-dessus du zéro absolu, ce n'est pas évident. Il faut construire les réservoirs avec une technologie bien particulière (isolation thermique). La manipulation et la production de ces ergols posent tout un tas de défis industriels. Le moteur doit fonctionner avec une turbopompe qui devra supporter des conditions de fonctionnement extrêmement violentes.

Les propergols solides fonctionnent d'une manière beaucoup plus simple : c'est un peu comme de la poudre à canon, on les allume et ils brûlent...

Effectivement la mise en oeuvre de moteur à carburant liquide est bien plus complexe, il n'y a qu'à voir une photo d'un tel moteur pour se rendre compte de la complexité. Et qui dit complexité dit fragilité. Une turbo pompe de moteur est la partie la plus fragile d'un lanceur, la plupart des échecs ont lieu à cause des moteurs. Et comme le dit Niko il faut un stockage du carburant à très basse température, une pression stable, vidanger et remplir si nécessaire avec un pas de tir et une structure adaptés, bref c'est une technologie lourde et complexe.
Avec un moteur à poudre on a ... presque rien. un carburant solide, un allumeur et une tuyère. On le prépare longtemps avant le lancement et on n'y touche plus jusqu'à l'allumage, c'est d'ailleurs pour cela que les missiles balistiques militaires sont aussi à propulsion solide (stockage simple, fiable, allumage facile et rapide). Seul inconvéniant du solide, une fois allumé ça ne s'arrête qu'une fois le bloc solide épuisé et la puissance n'est pas réglable en cours de vol.

Alors pourquoi ce choix des EAP sur AR5 ?
Je me rappelle lors du developpement d'Ar5, le Cnes voulait un lanceur fiable, et pour cela elle avait choisi de minimiser le nombre de moteurs en n'en mettant qu'un seul au 1er étage au lieu de 4 pour AR4. Les EAP rentraient aussi dans cette stratégie, minimiser les risques de panne en mettant des accélérateurs simple, puissants et fiables.
D'ailleurs les américains minimisent aussi les moteurs, les Delta IV n'ont qu'un moteurs au 1er étage, les Atlas 3 aussi, les Atlas V n'en ont que 2. Cas particulier, la Falcon-9 en a 9 mais ... il n'y a en réalité qu'un seul moteur qui alimente 9 tuyères.

Mustard a écrit:il n'y a qu'à voir une photo d'un tel moteur pour se rendre compte de la complexité

Pour illustrer les propos de Mustard, voilà le Vulcain d'Ariane 5G (Musée de l'Espace de Kourou) :

Merci pour vos réponses si rapides!

Je vais me renseigner sur les coûts de fabrications des différents étages.

Merci encore.

nikolai39 a écrit:La question est : pourquoi, à poussée équivalente, est-ce plus simple d'utiliser des propergols solides ?

L'autre raison est que, au prix d'une Isp plus faible, il est possible d'avoir des poussées sacrément plus puissantes avec des moteurs beaucoup moins chers et plus simples. En gros, pour avoir un seul moteur solide qui pousse 2 fois plus fort, il suffit (en gros) de grossir un peu son diamètre. Pour faire la même chose avec du LOX, la mécanique des fluides change tellement d'une échelle à l'autre que ça devient vite un problème pharaonique. Il suffit de voir pourquoi la Saturn V n'a pas qu'un seul moteur, et que bien qu'elle en ait quand même 5 le développement du F1 a été clairement le plus gros challenge de ce lanceur (avec le J-2, c'est vrai).

Un autre aspect est aussi le retour sur investissement de ce qui est dépensé pour les ICBM mais c'est une autre affaire...

En gros, un booster, ça pousse (très) fort, ça ne tombe pas en panne, c'est (potentiellement) réutilisable et c'est modulaire sans que ça coute des milliards. Alors certes leur Isp est un peu à la ramasse, mais ils ont encore de beaux jours devant eux.

Une autre raison qui conforte le choix d’utiliser les propergols solides au niveau du premier étage plutôt qu’au dernier est que le rapport de masse est moins détérioré : on amène plus de masse en orbite m₁ par rapport à la masse au sol m₀

Pour une fusée mono étage, l’équation de Tsiolkovski est ΔV = v_e ln m₀/m₁ avec v_e, vitesse d'éjection

Mais pour un lanceur multi étages et en plus en faisceau hétérogène au niveau du premier étage , les calculs se compliquent … un peu ;)

Alors pour faire simple, disons en gros qu’il ya intérêt à se débarrasser de tout ce qui est lourd le plus vite possible - surtout si leur vitesse d'éjection est plus faible - pour avoir à le transporter sur le moins de distance possible : donc mieux vaut que les étages à propergols solides – les plus lourds - soient les premiers à être largués.

Quoiqu'il en soit , c'est à ce niveau qu'il fallait les utiliser pour assurer une forte poussée ...mais disons que cela tombe bien ... surtout après leur largage ;)