Comment fonctionne une fusée
La première fusée à ergols liquides a volé pendant deux secondes et demie et s’est élevée d’environ 12.5 m.
Pousse un objet : il te pousse en retour
Debout sur une planche à roulettes, lance une balle lourde vers l’avant : tu recules. Lâche un ballon gonflé : il file à mesure que l’air s’échappe par son ouverture. Ces deux situations illustrent la troisième loi de Newton : lorsqu’un objet exerce une force sur un autre, celui-ci exerce en retour une force de même intensité, en sens opposé. Un moteur-fusée brûle des ergols pour produire beaucoup de gaz chaud, qu’il éjecte à grande vitesse par la tuyère. La fusée pousse les gaz vers l’arrière, et les gaz poussent la fusée vers l’avant.
On croit souvent que les gaz d’échappement ont besoin d’air sur lequel s’appuyer. C’est faux. La poussée naît à l’intérieur du moteur, entre la fusée et ses propres gaz. C’est pourquoi les fusées fonctionnent encore mieux dans le vide spatial, où l’air ne les freine pas. La grandeur déterminante est la quantité de mouvement, produit de la masse par la vitesse. Si le moteur éjecte 1 kg de gaz à 3000 m/s, la fusée gagne une quantité de mouvement de 3000 kg·m/s en sens opposé, quel que soit son environnement.
L’équation des fusées
En 1903, l’instituteur russe Constantin Tsiolkovski publie un traité sur l’emploi des moteurs-fusées dans l’espace. Il y présente l’équation qu’utilisent encore tous les concepteurs de fusées. Elle donne la variation de vitesse d’une fusée, Δv, à partir de deux valeurs : la vitesse d’éjection ve et le rapport de masse, soit la masse initiale m0 divisée par la masse finale mf une fois les ergols épuisés. Δv = ve × ln(m0 ÷ mf). Le logarithme est la mauvaise nouvelle. Pour une vitesse d’éjection de 3 km/s, une fusée dont les trois quarts de la masse sont des ergols (rapport de masse 4) gagne 4.16 km/s ; porter cette proportion à 90 % (rapport 10) ne donne que 6.91 km/s.
Atteindre l’orbite exige environ 7.7 km/s de vitesse horizontale, auxquels s’ajoute ce qu’il faut pour surmonter la gravité et la résistance de l’air pendant la montée. C’est trop pour une simple fusée. La solution consiste à utiliser des étages. Un gros premier étage soulève l’ensemble, puis se détache une fois vide : ses réservoirs et ses moteurs ne sont plus une masse inutile à transporter. Un deuxième étage démarre alors avec un rapport de masse bien plus favorable. La Saturn V de la NASA, utilisée pour les vols Apollo, comptait trois étages : le premier amenait la fusée à environ 68 km, le deuxième l’emmenait presque en orbite, et le troisième terminait la mise en orbite avant de propulser le vaisseau vers la Lune.
| Saturn V (NASA) | Valeur |
|---|---|
| Hauteur | 111 m (363 ft) |
| Masse au décollage | 2.8 millions de kg |
| Poussée au décollage | 34.5 millions de newtons |
| Vers l’orbite terrestre | environ 118 000 kg |
| Vers la Lune | environ 43 500 kg |
| Étages | 3 |
Pour décoller, il faut aussi une poussée supérieure au poids. Sur le pas de tir, Saturn V avait un poids de 2.8 millions de kg × 9.81 m/s² ≈ 27.5 millions de newtons ; ses moteurs fournissaient 34.5 millions de newtons, soit un rapport d’environ 1.26. Les 7 millions de newtons restants, répartis sur 2.8 millions de kg, ne produisaient au départ qu’environ 2.5 m/s² d’accélération vers le haut. Voilà pourquoi les grosses fusées semblent s’élever si lentement. À mesure que les ergols brûlent, la masse diminue et l’accélération augmente.
- Quelle loi explique le mouvement d’une fusée ?
- La troisième loi de Newton
- La loi de conservation de la masse
- La loi d’Ohm
- Un moteur-fusée a-t-il besoin d’air sur lequel s’appuyer ?
- Oui
- Non, il prend appui sur ses propres gaz d’échappement
- Un moteur éjecte 2 kg de gaz à 3000 m/s. Quelle quantité de mouvement (kg·m/s) la fusée gagne-t-elle ?
- Vitesse d’éjection : 3 km/s ; rapport de masse : 10. Quelle est la valeur de Δv en km/s ? (deux décimales)
- Vitesse d’éjection : 4.4 km/s ; rapport de masse : 10. Quelle est la valeur de Δv en km/s ? (une décimale)
- Pourquoi les fusées comportent-elles des étages ?
- Pour larguer les réservoirs vides et les moteurs devenus inutiles, ce qui améliore le rapport de masse du reste
- Parce qu’un seul moteur assez gros ne pourrait pas s’allumer
- Pour rendre la fusée plus haute
- La fusée de Goddard a atteint 41 pieds. Combien cela fait-il en mètres ? (une décimale ; 1 ft = 0.3048 m)
- Saturn V : poussée de 34.5 MN, poids de 27.5 MN. Quel est le rapport poussée/poids ? (deux décimales)
- En quelle année Tsiolkovski a-t-il publié ses travaux sur les fusées dans l’espace ?
- 1903
- 1926
- 1957
- Pourquoi une grosse fusée semble-t-elle s’élever lentement au départ ?
- Sa poussée ne dépasse que légèrement son poids
- L’air est dense et l’arrête
- Les moteurs chauffent lentement
- Une fusée expulse des gaz vers l’arrière et reçoit une poussée vers l’avant (troisième loi de Newton) ; elle n’a pas besoin d’air.
- Équation des fusées : Δv = vₑ × ln(m₀ ÷ m_f).
- Les étages permettent de larguer la masse inutile : chacun démarre ainsi avec un meilleur rapport de masse.
- Goddard a fait voler la première fusée à ergols liquides le 16 mars 1926.
- Saturn V : 111 m, 2.8 millions de kg, 34.5 MN de poussée, trois étages.
Sources de ce cours (17)
- Town of Auburn MA, Robert Goddard (auburnma.gov/693/Robert-Goddard)
- History.com This Day in History, 16 March 1926 (Tsiolkovsky 1903 treatise)
- NASA "What Was the Saturn V?" (nasa.gov/learning-resources/for-kids-and-students/what-was-the-saturn-v-grades-5-8)
- NASA Earth Fact Sheet (nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html, GM 0.39860 × 10⁶ km³/s², escape velocity 11.186 km/s, sidereal rotation 23.9345 h)
- NASA History "The Dawn of the Space Age" (nasa.gov/history/dawn-of-the-space-age)
- NASA "April 1961, First Human Entered Space" (nasa.gov/image-article/april-1961-first-human-entered-space)
- GPS.gov Space Segment (gps.gov/space-segment)
- KARI (kari.re.kr: KOMPSAT-1 1999, Chollian, Nuri launch dates, Danuri contents/193, 194, 196 and news release 2022-12-28)
- Korea.kr policy news on the Nuri second launch, 21 June 2022 (korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148902762)
- Korea AeroSpace Administration (kasa.go.kr, founded 27 May 2024)
- NASA International Space Station Facts and Figures (nasa.gov/international-space-station/space-station-facts-and-figures)
- ISS National Lab on Zarya and Expedition 1 (issnationallab.org/iss360/celebrating-the-20th-anniversary-of-the-first-international-space-station-module)
- Korea Herald and Korea.net on Yi So-yeon, 8 April 2008 (koreaherald.com/article/10711787, korea.net/NewsFocus/HonoraryReporters/view?articleId=264742)
- NASA Apollo pages (nasa.gov/the-apollo-program, nasa.gov/history/apollo-11-mission-overview, nasa.gov/mission/artemis-ii)
- NASA Voyager 1 (science.nasa.gov/mission/voyager/voyager-1) and "What is a light-day" (science.nasa.gov/mission/voyager/voyager-1/voyager-1-what-is-a-light-day)
- NASA Stennis Lagniappe July 2015 on New Horizons at Pluto (nasa.gov/wp-content/uploads/2015/05/julylagniappe.pdf)
- NASA SVS 5534 Parker Solar Probe (svs.gsfc.nasa.gov/5534).
Consulté le: 2026-10-18