Rocket Science simplifié

Rocket est un moteur qui brûle le carburant stocké dans un gaz à grande vitesse et à haute température qui sort d’un véhicule à travers une prise limitée. Comme le gaz se déplace vers le bas à grande vitesse, le véhicule porteur réagit en se déplaçant vers le haut aux mêmes vitesses élevées. D’autre part, nous pouvons également décrire une fusée comme un véhicule cylindrique avec une buse fortement pointue utilisée pour voyager dans l’espace. Les véhicules comprennent des missiles ou des engins spatiaux qui utilisent une fusée comme moteur.Les

fusées sont une invention importante, et elles jouent divers rôles dans la formation de notre monde tel que nous le vivons aujourd’hui. Les fusées sont la raison pour laquelle les scientifiques peuvent surveiller l’espace pour assurer la sécurité de notre planète. Voici diverses utilisations des fusées: 

U

tilisations militaires

Les roquettes sont utilisées comme transporteurs de diverses ogives vers diverses destinations ennemies. Lorsque les roquettes sont combinées avec des ogives, leur nom change pour ce qu’on appelle communément les missiles. Le transport d’ogives à l’aide de roquettes est sans danger pour les militaires puisqu’ils peuvent être télécommandés. La fonction militaire est une utilisation controversée étant donné la nature destructrice des ogives transportées par fusée.R

echerche spatiale

Le

s astronautes utilisent des fusées pour transporter des instruments vers des zones au-delà de la surface de la Terre pour enregistrer divers éléments de recherche que les scientifiques prévoient d’étudier.Les fusées aident à mettre les engins spatiaux en orbite

Les fusées sont explicitement préférées pour cette fonction en raison de leurs vitesses élevées qui marchent à grande vitesse de l’orbite, comme nous en discuterons plus tard.Les

fusées fonctionnent selon un principe scientifique simple appelé troisième loi du mouvement. Isaac Newton est venu avec les lois du mouvement, et la troisième et dernière de ces lois affirment qu’il doit y avoir une réaction égale dans la direction opposée pour chaque action. Ce principe signifie que si vous poussez quelque chose vers l’avant, vous reculez également à la même vitesse.

En quoi est-ce lié aux roquettes, demandez-vous? Allons-y.

Les moteurs-fusées brûlent un type spécial de carburant dont nous parlerons dans peu de temps. Lorsque le carburant brûle, il produit un gaz chaud à partir de l’arrière de la fusée à une vitesse très élevée. Comme le gaz sort à grande vitesse allant vers le bas, quelle est la direction la plus probable que la fusée prendra? Bien sûr, vous avez deviné à droite; il se déplacera vers le haut à un taux égal à la vitesse du gaz allant vers le haut.

La force qui fait monter le moteur de fusée dans la direction opposée du gaz chaud est appelée poussée, et la fusée continue de brûler plus de carburant pour produire le même effet encore et encore, donnant à la fusée la poussée vers l’avant encore et encore jusqu’à ce qu’elle arrive à sa destination. Les poussées répétées aident également la fusée à surmonter l’attraction gravitationnelle et la résistance de l’air.

Mais comment une fusée sait-elle où elle va? A-t-il un pilote? Avant que les fusées ne soient libérées de la terre, les scientifiques de fusée calculent une route prédéterminée que la fusée prendra. Le cours est calculé en fonction de la position du soleil et de la lune. D’autres planètes peuvent aussi avoir un petit effet, mais il est très minime. Avant d’examiner comment les roquettes sont lancées, comprenons le chemin parcouru par les roquettes.

Aujourd’hui, les concepts utilisés dans les fusées remontent au 1er siècle après J.-C. Un ingénieur en mathématiques, Heron d’Alexandrie, a créé un dispositif qui a fait tourner une boule à l’aide de buses émettant de la vapeur. Après cette fête de Heron, les choses dans l’histoire des fusées sont restées silencieuses jusqu’au 13ème siècle après J.-C. quand les gens ont commencé à fabriquer des roquettes à poudre utilisée dans des armes comme des flèches.

Peut-être la partie la plus importante de l’histoire des fusées a été la publication de l’enquête sur l’espace avec des dispositifs de réaction par Konstantin Tsiolkovsky. Cette publication détaillais la dynamique du fonctionnement des fusées. Plus tard en 1942, l’Allemagne franchit une nouvelle étape lorsqu’elle lance avec succès son missile à base de roquettes et le pose sur la cible à une vitesse de plus de 4000 mph.

Le succès de l’Allemagne dans le lancement de leur missile a permis aux États-Unis et à l’URSS de lancer leurs programmes spatiaux, et en 1957, la Russie a pu utiliser une fusée pour transporter et lancer Spoutnik 1, qui était le premier satellite au monde dans l’espace, et en 1969, l’Amérique a lancé Apollo 11, la fusée qui ornait la lune pour la première fois.

Nous avons appris ce qu’est une fusée, la science derrière le fonctionnement des fusées, et nous avons passé par une brève histoire de fusées. Vous devez maintenant être curieux de savoir comment une fusée lance, non? Mais avant d’entrer dans la façon dont les fusées sont lancées, apprenons d’abord l’énergie qui propulse les fusées, d’accord?

Pour discuter des carburants de fusée, nous discuterons des types de fusées que nous avons aujourd’hui puisque les fusées sont classées en fonction du type de carburant qu’elles utilisent. Aujourd’hui, il existe quatre types de roquettes :

• Fusées à combustible solide
• Fusées de carburant liquide
• Fusées ion
• Fusées à plasma

Voici une analyse de chacune des fusées pour vous aider à comprendre l’énergie utilisée par les fusées.Fusées à combustible solide

Les carburants solides utilisent des propulseurs solides et sont parmi les premiers carburants à être découverts. Ils ont d’abord été utilisés principalement pour fabriquer de petites armes, bien qu’après des recherches ultérieures, les scientifiques ont constaté qu’ils pouvaient les utiliser pour alimenter de grandes fusées et pour une période plus longue.

Les fusées à combustible solide sont monopropellantes, ce qui signifie qu’elles n’ont pas besoin d’un oxydant externe pour brûler le carburant. La science fondamentale de la combustion stipule que pour tout ce qui brûle, il doit y avoir un agent oxydant. Par exemple, les jets ont des prises d’air, qui fournissent l’oxygène pour que les moteurs enflamment le carburant et propulsent le jet. Les fusées monopropellantes, cependant, n’exigent pas des prises d’air pour brûler les carburants.

Au lieu de cela, les combustibles solides sont une combinaison de nombreux produits chimiques en un seul mélange. Parmi ces produits chimiques sont oxydants qui brûlent le carburant pour produire du gaz chaud qui propulse les fusées. Certains des produits chimiques utilisés pour fabriquer des carburants solides pour fusées comprennent le dinitramide d’ammonium, le nitrate de potassium et le perchlorate d’ammonium. Pour que les combustibles solides fonctionnent, ils doivent être placés dans la chambre de combustion de la fusée, où il est enflammé.

L’inconvénient majeur des combustibles solides est qu’une fois que le carburant commence à brûler, il ne peut pas s’éteindre, ce qui signifie que le carburant brûlera continuellement sans contrôle jusqu’à ce qu’il soit terminé. Ce manque de contrôle conduit à la nécessité d’utiliser des quantités massives de carburant solide, qui est à la fois coûteux et peut utiliser une grande partie de l’espace limité offert par la fusée. Un autre inconvénient des combustibles solides est le risque de s’échapper avant que la fusée n’atteigne la destination souhaitée. En outre, la nitroglycérine, l’un des composés utilisés pour fabriquer des combustibles solides, s’évapore rapidement.

D’autre part, les propulseurs solides sont relativement faciles à stocker et à manipuler que leurs homologues liquides. Ils sont également moins chers et sont préférés chaque fois que de grandes poussées sont nécessaires. Parmi les célèbres fusées qui ont utilisé du combustible solide figurent la série russe Proton (Proton 8K82K et Proton-M), l’européenne Ariane 5, la navette spatiale, l’américain Atlas V et le japonais H-I.

Fusée à carburant liquide

Les fusées à carburant liquide utilisent des propulseurs liquides. Les propulseurs liquides sont, comme le mot l’indique, liquides. Les combustibles liquides sont largement utilisés et peuvent être soit monopropellants (rappelez-vous monopropellant des combustibles solides?), ou bipropellant, ou encore plus rarement, tripropellant. Certains des produits chimiques utilisés pour fabriquer des propulseurs liquides comprennent le tétroxide dinitrogen combiné avec l’hydrazine, l’oxygène liquide et l’hydrogène liquide. Ces produits chimiques sont légers et faciles à transporter, et donc réduire le poids de la fusée.

Les ingénieurs rocketry font confiance aux carburants liquides parce qu’ils ont une densité élevée et ont une impulsion spécifique élevée. Les ingénieurs aiment la haute densité et l’impulsion spécifique élevée parce qu’ils leur facilitent l’utilisation de turbopumpes centrifuges plus légers pour déplacer le carburant des réservoirs de carburant de la fusée vers les chambres de combustion. Les turbopumpes augmentent la pression du carburant dans la chambre de combustion.

En plus de leur densité élevée et de leur impulsion spécifique, les propulseurs liquides sont utiles parce qu’ils sont faciles à contrôler. Contrairement aux propulseurs solides que vous ne pouvez pas contrôler lorsqu’ils commencent à brûler, les propulseurs liquides sont faciles à contrôler et ne brûlent que lorsque vous devez brûler. Cette capacité de contrôle permet aux astronautes de contrôler facilement la vitesse de la fusée et d’allumer et d’éteindre la fusée pour contrôler la consommation de carburant.

Une défaire majeure pour les propulseurs liquides est que les ingénieurs doivent concevoir un système de tuyauterie séparé des chambres de stockage du liquide pour atteindre les chambres de combustion. Perfectionner ce design est d’autant plus difficile que l’objectif de la création d’une fusée est de le rendre aussi léger que possible.
Certaines des fusées qui utilisent des propulseurs liquides comprennent le V-2 allemand, Space X Falcon 9, et l’Atlas ICBM

Fusée Ion
Les fusées irionales sont fonctionnelles depuis 1998, et elles utilisent l’énergie électronique des cellules solaires. Les cellules solaires convertissent la lumière du soleil en énergie électrique et sont dix fois plus rapides que les fusées traditionnelles qui utilisent des combustibles chimiques. Cependant, la poussée produite par les fusées irions est faible et ne peut pas soulever la fusée du sol. Par conséquent, les ingénieurs de fusée doivent trouver un autre moyen de soulever la fusée au sol.

Fusées plasma
Les fusées plasmatiques sont connues dans les conversations scientifiques sous le nom de Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR). Ces fusées fonctionnent en accélérant le plasma produit en dépouillant les électrons négatifs des atomes d’hydrogène à l’intérieur d’un champ magnétique et en les expulsant du moteur. Ces fusées sont présentées comme plus rapides et peuvent atteindre Mars plus rapidement que d’autres types de fusées. Leur durabilité est encore à l’essai, et plus d’informations à leur sujet seront bientôt disponibles.

Les scientifiques considèrent beaucoup de choses avant de lancer une fusée. Voici quelques-unes des considérations qu’ils font :

• La charge utile de la fusée
• La destination de la cargaison
• La météo
• Proximité de l’équateur
• La proximité du site de lancement avec les équipements sociaux et les résidences
• Heure de la journée

La liste ci-dessus n’est qu’un point culminant et est destiné à vous diriger vers certaines des considérations que les scientifiques font avant de lancer une fusée.Les plusieurs étapes d’un lancement de fusée réussi :

Avant de discuter des différentes étapes, répondons à cette question fréquemment posée : Qu’est-ce que la mise en scène ?

La mise en scène des fusées est le processus par lequel les ingénieurs organisent différentes parties d’une fusée. L’agencement des moteurs-fusées détermine comment ils sortiront du navire à différents stades.

Une mise en scène efficace garantit également qu’au fur et à mesure que la fusée perd des pièces qui ne sont plus utiles, elle devient plus légère, et que les moteurs suivants donnent à la fusée la poussée nécessaire pour traverser l’atmosphère et se déplacer à la bonne vitesse pour répondre aux exigences de vitesse de l’orbite. Selon la fonction de la fusée, les scientifiques mettent autant de pièces détachables que le nombre d’étapes qu’ils s’attendent à ce que le véhicule subisse avant d’atteindre sa destination finale. Cependant, plus le nombre d’étages d’une fusée est élevé, plus il est compliqué, et plus la probabilité de sa défaillance est grande.

Comme les scientifiques font des fusées, le carburant des fusées transporte environ 90-94% du poids total de la fusée, et l’autre 6-10% est partagé entre les matériaux de construction de la fusée et la charge utile (nous allons discuter de ce que la charge utile en quelques paragraphes). Cela signifie que le matériau utilisé pour fabriquer des fusées doit être extrêmement léger, et les astronautes doivent s’assurer que la charge qu’ils transportent à l’aide d’une fusée est tout aussi légère.

Il existe quatre façons différentes de mettre en scène, comme nous en discutons ci-dessous:

Mise en scène en série

La mise en scène en série se produit lorsque les scientifiques empilent les étapes les unes sur les autres. Dans ce genre de mise en scène, la scène qui brûlera en premier est placée comme la plus en bas, tandis que l’étape finale est la plus proche du sommet. Saturn V fusées lunaires ont été de bons exemples de fusées qui ont utilisé la mise en scène en série.

Mise en scène parallèle

Dans la mise en scène parallèle, les scientifiques placent des stades de rappel simples ou multiples reliés au soutien principal. Tous les moteurs commencent la combustion au début du voyage, et lorsque les moteurs piégés dépensent entièrement leur carburant, le moteur principal continue de brûler pour transporter la cargaison en orbite. Les étapes détachables sont utilisées comme boosters et tombent dès qu’elles sont à court de carburant. La mise en scène parallèle peut être combinée avec la mise en scène en série sur le même véhicule.
Certaines des fusées qui utilisent la méthode de mise en scène parallèle comprennent des lanceurs comme Titan III et Delta II

Scène et demie

Une étape et demie impliquent l’utilisation du moteur de soutien principal et un autre qui agit comme le booster. Comme prévu de toutes les étapes de rappel, le système d’étape et demi attaché tombe après que tout son carburant est dépensé. L’Atlas et l’Atlas Agena sont des exemples de fusées qui ont utilisé une scène et demie.

Mise en scène unique

Cette méthode de mise en scène est encore à l’étude, et son rêve principal est d’avoir des fusées qui ne nécessitent pas plusieurs étapes pour fonctionner. Comme nous l’avons dit plus haut, plus un véhicule a d’étapes compliquées, plus il est compliqué et plus il y a de chances d’échec. En tant que tel, lorsque les scientifiques trouveront un moyen d’actualiser la méthode de mise en scène unique, ils éviteront un risque considérable et auront des stades moindres à traiter lors du lancement de fusées.
Maintenant que nous comprenons les différentes méthodes de mise en scène, nous allons plonger dans les multiples étapes d’un lancement de fusée.

Étapes d’un lancement de fusée

Les fusées se lancent à différents stades, et chaque étape a son rôle unique à jouer. Les différents moteurs qui brûleront pour lancer une fusée avec succès sont empilés les uns au-dessus des autres et se détachent lorsque leur utilité se termine. Par conséquent, ce détachement signifie qu’à mesure que la fusée perd des moteurs usés, elle devient plus légère et consomme donc moins de carburant. Il est également digne de comprendre que chaque moteur est indépendant des autres. Cette indépendance offre aux ingénieurs de fusée la possibilité de personnaliser chaque moteur dans le but qu’il sert. L’optimisation signifie rendre le moteur plus adapté à la pression atmosphérique dominante ou à l’attraction gravitationnelle à chaque étape.

Voici quelques étapes que les fusées franchiront pour être lancées avec succès :

1) Étape primaire

Le principal est le premier et le plus important étage d’un lancement de fusée et est également appelé l’étape « 0 ». À ce stade, le moteur brûle du carburant pour fournir la première poussée. La poussée doit être assez forte pour propulser la fusée dans une vitesse élevée qui la prend vers le ciel. La poussée doit également être forte puisqu’elle doit suffire à transporter le poids lourd de la fusée, qui comprend le premier moteur. Lorsque le premier moteur est à court de carburant, il se détache de la fusée et déclenche un petit explosif attaché au deuxième moteur, qui prend le relais et propulse le vaisseau spatial plus loin. Le premier moteur brûle et retombe sur terre. Le détachement du premier moteur du reste de la fusée est appelé main engine cut off (MECO).

Aussi simple que cela puisse paraître, la première étape doit surmonter de nombreux obstacles avant qu’elle ne brûle avec succès.

La traînée augmente à mesure que la fusée gagne de la vitesse :

Glisser dans les fusées est la résistance que la fusée doit surmonter comme il va vers le ciel. Pour comprendre glisser dans une langue simple, supposons que vous courez sur une piste. Si vous courez par temps calme lorsque le vent se déplace lentement, vous utiliserez moins d’efforts pour courir. D’autre part, si vous courez contre un vent fort, la course devient un peu plus difficile. En outre, plus vous courez vite, plus vous obtenez de résistance. Si vous à la basse vitesse que vous exécutez peut obtenir la friction de l’air, imaginez un véhicule qui se déplace à des vitesses jusqu’à 16200 Km/h. La fusée doit faire face à beaucoup de résistance, n’est-ce pas ?

Le lancement est le plus rude sur la première étape:

La force gravitationnelle (communément appelée force G) est plus élevée dans la basse atmosphère que dans les atmosphères plus élevées. Il ya aussi des vibrations à haute fréquence à considérer et le poids énorme de la fusée porte.

L’étape principale détermine le succès ou l’échec d’un lancement de fusées :

Pour qu’une fusée pénètre à travers la traînée causée par l’atmosphère et atteigne avec succès MAXQ, la poussée initiale doit être assez forte pour transporter la fusée à travers tout cela. Si une petite erreur de calcul se produit à l’étape primaire, alors l’ensemble du projet est voué à l’échec.

2) Les étapes supérieures

La fusée se déplace déjà dans le ciel à grande vitesse et a déjà perdu du poids sous la forme du premier moteur brûlé. Par conséquent, cela signifie que le moteur à ce stade a une tâche relativement plus facile à effectuer par rapport au moteur de la première étape.
Le seul but de cette étape est d’amener la fusée dans la vitesse orbitale. C’est la vitesse requise pour s’aligner sur le mouvement d’autres objets spatiaux comme les planètes et d’autres. La fusée doit se déplacer à grande vitesse qui contrecarrant avec succès l’attraction gravitationnelle.

Si vous n’atteignez pas les vitesses élevées requises pour surmonter l’attraction gravitationnelle, la fusée sera ramenée au sol par gravité. La chose importante à noter ici est que plus la fusée est proche de la surface de la Terre, plus l’effet de traction gravitationnelle et plus la vitesse requise pour la surmonter est élevée.

Avant que le moteur de l’étape secondaire ne brûle, ce qui suit doit se produire :

• Le véhicule doit atteindre l’apesanteur
• Obtenir une cote d’impulsion spécifique plus élevée
• Aller plus vite
• Le mouvement du véhicule devient stable

Le moteur usé sur l’étage secondaire se détache également de la fusée dans un processus appelé Second Engine Cut Off (SECO). Cependant, les restes du moteur ne peuvent pas revenir sur terre (à moins que la fusée ne soit modélisée pour être réutilisée comme nous en discuterons plus tard) mais rester dans l’espace, en orbite autour d’autres corps à l’infini. Ceux-ci ont utilisé des détachements de fusée font partie de ce qu’on appelle des débris spatiaux ou des jonques spatiales.

Les fusées sont principalement envoyées dans l’espace pour livrer une charge utile. La charge utile est toute cargaison transportée à l’aide d’une fusée, et elle peut comprendre des instruments de recherche, des satellites, des armes et des personnes, entre autres charges utiles. Mais qu’advient-il des roquettes après avoir livré leur cargaison?

Traditionnellement, les fusées usées tombent à la surface de la Terre et dans une orbite et commencent à osciller avec la planète. D’autres fois, la fusée se désintègre et s’évapore lorsqu’elle rencontre des températures élevées. Avec les dernières avancées, cependant, les roquettes n’ont pas besoin d’être détruites après une seule utilisation. Des fusées récentes comme le dernier Falcon de SpaceX peuvent être partiellement réutilisées pour transporter de futures charges utiles.