Pourquoi le moteur Aerospike est l'avenir des fusées et des vols spatiaux

Ce moteur-fusée innovant pourrait révolutionner les vols spatiaux tels que nous les connaissons.

Les fusées sont restées pratiquement inchangées depuis leur introduction au 20e siècle. D’Apollo 11 en 1969 aux missions SpaceX Falcon Heavy, qui ont débuté en 2018, toutes deux étaient propulsées par des fusées dotées de tuyères en forme de cloche. Cette conception est donc non seulement éprouvée, mais suffisamment solide pour lancer un vaisseau spatial en dehors de l’orbite terrestre. Mais et s’il existait une meilleure solution ?

Ceux qui sont derrière le moteur-fusée Aerospike le croient certainement. Ce concept relativement innovant promet de capitaliser sur les défauts des premières fusées à tuyère en forme de cloche, qui étaient inefficaces, coûteuses et lourdes. Les ingénieurs s'intéressent au concept de moteur aérospike depuis les années 1950, mais l'intérêt a repris au début des années 2000 avec le projet X-33 de la NASA. En fait, cette année encore, l’armée allemande a récemment attribué un contrat à Polaris, une petite start-up testant un nouveau moteur-fusée linéaire à aérospike.

Avant de commencer, parlons du fonctionnement des fusées conventionnelles et de la manière dont l’aerospike peut nous amener au niveau supérieur. Si cela n'était pas déjà évident, toutes les fusées doivent utiliser une tuyère d'un certain type pour accélérer les gaz d'échappement chauds afin de produire une poussée. La buse elle-même n’est rien d’autre qu’un tube de forme spéciale à travers lequel les gaz chauds peuvent circuler.

Toutes les fusées fonctionnent selon la troisième loi du mouvement de Newton :

Sur la photo ci-dessus, on voit des tuyères de fusée conventionnelles en forme de cloche, également connues sous le nom de tuyères convergentes-divergentes, de la navette spatiale Discovery. Inhérente à son nom, la buse converge vers un point de pincement, puis diverge et s'étend vers la sortie. La taille du point convergent (également connu sous le nom de gorge de la tuyère) peut être modifiée pour ajuster la quantité de poussée produite par la fusée ; ce processus est d'une importance cruciale, car cette conception produit différents niveaux de performances à différentes altitudes.

Cela signifie que la taille du col de la buse doit être choisie pour produire des performances optimales pendant le cycle de combustion à mesure que le vaisseau spatial monte. « Fondamentalement, vous choisissez la meilleure altitude de fonctionnement… et vous réalisez ensuite que lorsque vous atteignez une altitude élevée, votre efficacité va diminuer car vous ne gagnerez pas autant d'élan que vous pourriez », explique Stephen Whitmore, professeur de génie mécanique et aérospatial. à l'Université d'État de l'Utah. C'est un inconvénient notable de la conception de la buse en forme de cloche qui oblige les ingénieurs à faire un compromis calculé avec la taille de la section du col de la buse.

La tuyère en cloche est en réalité plus efficace dans l’espace que près de la surface de la Terre. En effet, la pression atmosphérique dans notre atmosphère inhibe la poussée générée par une fusée donnée, ce qui signifie qu'elle produit plus de poussée dans l'espace que sur Terre.

Apprenez-en plus dans cette vidéo :

Le moteur aerospike, en particulier l'aerospike conique, ressemble beaucoup à une fusée conventionnelle et fonctionne en grande partie selon le même principe : échanger de l'énergie thermique contre de l'énergie cinétique. Vous verrez dans la coupe transversale ci-dessus que l'aerospike utilise une section en forme de pointe qui s'insère à l'intérieur de l'endroit où se trouverait la partie divergente d'une tuyère en cloche. "Il remplace cette limite fixe par une limite libre… au lieu que la forme en cloche soit une limite externe, c'est une limite interne contre laquelle vous poussez", explique Whitmore.

Vous avez peut-être également vu un moteur aérospike linéaire, qui est essentiellement un aérospike conique qui a été déroulé et aplati. Cette configuration a été utilisée pour le projet X-33, car elle était mieux adaptée à la forme plate du vaisseau spatial. "L'aérospike linéaire du X-33 était essentiellement motivé par l'apparence de la base du X-33", explique Whitmore.

Clairement et simplement, il s’agit essentiellement d’une buse à cloche qui a été retournée à l’envers. Cela signifie que la buse aerospike peut non seulement être emballée plus petite qu'une buse à cloche, mais qu'elle peut également compenser l'altitude beaucoup plus efficacement. Cela produit une réduction considérable de la baisse de performance lorsque la fusée est catapultée vers les bords extérieurs de l'atmosphère terrestre.