I- La propulsion de la fusée

Le Moteur

La fusée dessinée par Hergé est propulsée par deux moteurs qui fonctionnent alternativement : un moteur « conventionnel » et un moteur atomique. Ces deux moteurs répondent tous deux à des fonctions bien distinctes que nous allons détailler dans cette partie.

                                                                                                  Image site accueil

Le moteur « conventionnel :

  • Rôle et principe de fonctionnement:

Le moteur à réaction « conventionnel » est celui qui assure le décollage et l’atterrissage de la fusée. Lors du décollage, un fluide est projeté vers l’arrière de l’engin, ce qui transmet une force égale mais de direction opposée. (fig.1) La matière expulsée a donc la particularité d’être totalement stockée à l’intérieur de la fusée. L’avantage de ce type de moteur est qu’il peut très bien fonctionner dans un milieu dépourvu d’atmosphère et atteindre des vitesses relativement importantes.

   Image moteur 3    fig 1: un moteur de fusée classique: le HM-7B                                 Image moteur 2 fig 2: principe de réaction du moteur 

 

Comparé aux autres moteurs qui existent (turboréacteur, statoréacteur…), le moteur de fusée possède le domaine de vol le plus étendu. Cependant, l’inconvénient est qu’il a un rendement nettement inférieur aux autres moteurs à réaction. Nous pouvons l'observer notamment sur le graphique ci-dessous.

 

 

 

Image moteur 4   

Graphique représentant le domaine de vol et le rendement des différents types de moteurs à réaction. 

Dans les premières pages de On a marché sur la lune, nous pouvons remarquer que, lors du décollage, tous les personnages à bord de la fusée s’évanouissent, ce qui traduit une importante accélération au départ due au moteur conventionnel utilisé. Dans le cas de la fusée d’Objectif Lune, ce moteur permet de palier au problèmes de radiations radioactives émises par le moteur atomique.


                                            

Image moteur 5 l' effet de l'accélération sur les personnages de la bande dessinée

 

  • Bref historique:

Les moteurs à ergols liquides sont connus depuis la fin du XIXeme siècle. Cependant, le principe de transformation de l’énergie chimique en énergie cinétique est connu depuis l’Antiquité. Ces nouveaux types de moteurs s’affirment notamment dans les années qui suivent la Seconde guerre mondiale pour la propulsion massive de missiles et de fusées spatiales. Depuis, ils ont subi de nombreuses modifications afin de les perfectionner car, malgré leurs défauts, ces moteur restent très utilisés dans la propulsion spatiale.

 

  • Correspond-il à la réalité scientifique?

Ce moteur classique est tout à fait réalisable et utilisable dans la réalité. Il est d’ailleurs intégré dans la fusée Ariane V ECA (Fig.6) Ce moteur fonctionne à partir d’un mélange d’hydrogène liquide et d’oxygène liquide.

Image moteur 6 le moteur vulcain 2 intégré à la fusée Ariane ECA    Image moteur 7la fusée Ariane 5 ECA

Le moteur atomique:

  • Rôle et principe de fonctionnement:

Le moteur atomique, fonctionne pendant tout le reste du vol. C’est un moteur qui utilise la fission nucléaire. Ainsi, le noyau atomique (riche en nucléons) est divisé en nucléides, plus légers. (Fig.7) Cette réaction est caractérisée par l’émission de neutrons et par un dégagement d’énergie important. (Env. 200 MeV par atome)

Image moteur 8le phénomène de la fission nucléaire

Deux versions de ce moteur ont été élaborées afin de permettre une propulsion beaucoup plus puissante et rapide.

La version principale est un moteur de type statoréacteur . En effet, le réacteur expérimental mis au point est constitué de barres de métal disposées en alternance avec des barres de matériaux fissibles qui se réchauffent très rapidement entre elles. Pour que le moteur s’actionne, de l’air est introduit dans le réacteur. Il se réchauffe et prend une vitesse importante qui créé une poussée d’autant plus grande. Ce réacteur, très lourd (environ 20 tonnes), possède la qualité de pouvoir bouger avec des charges importantes de par sa puissance.

La deuxième version est un moteur qui se rapproche du classique moteur-fusée . Ainsi, du gaz passe dans un échangeur chauffé à haute température par un réacteur nucléaire. Il est ensuite éjecté.

  • Correspond-il à une réalité scientifique?

Ce type de moteur n’est pas applicable aux fusées actuelles. En effet, même s’il produit une forte poussée qui reste constante, il est très fragile. Ainsi, il n’est pas assez résistant aux différents chocs qui lui sont imposés (thermiques, mécaniques…). Ses deux autres défauts sont que les prototypes actuels de ce type de moteur ne fonctionnent pas dans le vide et sont très longs et fastidieux à réaliser. Enfin, le principal défaut de ce moteur est qu’il émet de fortes radiations radioactives qui pourraient s’avérer très dangereuses en cas d’accident. Ainsi, bien qu’utilisé dans les bandes dessinées On a marché sur la Lune et Objectif Lune, ce moteur est, pour l’instant, impossible à concevoir.

Calculs rapportés à lexpérience:

 

-Calcul de la vitesse d’éjection de leau:

 

Nous avons donc recours au théorème de Bernoulli pour calculer cette vitesse d’éjection:

Image moteur 9

Où z  est l’altitude (en mètre), v est la vitesse de l’eau (m.s-1), g est l’accélération de la pesanteur (m.s-2), p est la pression en un point (N.m-2)

 ρ est la masse volumique (kg.m-3)

Image moteur 10 Fig 5 schéma du théorème de Bernoulli appliqué à la fusée à eau

Ainsi, si l’on prend deux points 1 et 2 (Fig.5),on obtient:

z1 +V1²/2g + P1/ρg = z2 +V2²/2g +P2/ρg

D’où:   V2² - V1² = 2(P1-P2)/ρ + 2g(z1-z2)

 

Pour calculer V2 nous avons également besoin de calculer le débit du liquide Qv[1] .(Volume de liquide qui traverse une section S en une seconde)

Image moteur 11

Qv=S*V

 

Où    Qv est le débit du liquide (m3.s-1)

            S     est la section (m²)

        V     est la vitesse d’éjection du liquide (m.s-1)

 

Nous pouvons dire que le débit du fluide est constant. Ainsi,

S1*V1=S2*V2

D’où, V1= S2*V2/S1

Si l’on reprend le théorème de Bernoulli en remplaçant V1, on obtient:                                       fig 6: schéma du calcul du débit du liquide appliqué à

V2² (1 - (S2/S1)²) = 2(P1-P2)/ρ + 2g.(z1-z2)                                                                                   la fusée à eau

 

 

Image moteur 12

 

Ainsi, puisque l’on cherche V2, on obtient l'équation suivante:

Pour notre fusée, S1= 0,57 m² P1= 101 300 N.m-² ρ= 10³ kg.m-3

      S2= 0,06 m² P2= 8,00*10⁵ N.m-² g= 9,80665 m.s-2

      z1= 0,208 m z2= 0,023 m

   

Ainsi, après calcul, nous obtenons V2= 37,58 m.s-1↔︎ 135,2 km.h-1

Recapitulatif:

Ainsi, si nous nous intéressons au moteur, la fusée XFLR-6 ne correspond pas à une réalité scientifique. En effet, si son moteur-fusée qui assure décollage et atterrissage est tout à fait classique et utilisé dans l’aéronautique actuelle, le moteur atomique qui prend le relais sur l’autre partie du vol est, quant à lui, presque impossible à remettre en oeuvre aujourd’hui. Cependant, Hergé a tout de même fait preuve d’avance sur son temps en proposant deux options de moteurs avancées, dont une très utilisée.

 

 

 

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