Comment fonctionnent les fusées, et pourquoi les fusées réutilisables comptent

Comment fonctionnent les fusées : le principe de réaction

Tenez-vous sur un skateboard et lancez un ballon lourd vers l'avant : vous roulez vers l'arrière. Cette image du quotidien renferme tout le secret d'une fusée : toute poussée exercée dans un sens entraîne une réaction égale dans le sens opposé. Une fusée éjecte une énorme quantité de gaz chaud par la tuyère de son moteur dans une direction, si bien qu'elle est poussée dans l'autre.

On croit souvent qu'une fusée prend appui sur l'air ou sur le sol. Elle n'a besoin ni de l'un ni de l'autre, car la poussée vient du gaz qu'elle éjecte. C'est pourquoi les fusées fonctionnent parfaitement dans le vide spatial, où il n'y a pas d'air du tout.

Poussée, carburant et pourquoi une fusée est surtout faite d'ergols

La poussée est la force que produit un moteur. La plupart des fusées l'obtiennent en brûlant un carburant avec un comburant, une substance qui fournit l'oxygène nécessaire à la combustion. Un moteur d'avion à réaction puise son oxygène dans l'air ambiant, mais il n'y a pas d'air à respirer dans l'espace : une fusée emporte donc le sien. Ensemble, le carburant et le comburant forment ce que l'on appelle les ergols.

Parmi les associations courantes figurent l'hydrogène liquide, le kérosène raffiné ou le méthane liquide, chacun brûlé avec de l'oxygène liquide. Certaines fusées utilisent plutôt des ergols solides, logés dans une enveloppe résistante.

Voici le plus surprenant. Une fusée doit emporter les ergols nécessaires pour soulever le reste de ses ergols, si bien que l'essentiel de son poids sur le pas de tir est constitué d'ergols. La structure, les moteurs et la charge utile, c'est-à-dire le satellite ou la capsule d'équipage placés au sommet, n'en représentent qu'une petite part. C'est pourquoi les ingénieurs s'efforcent tant d'alléger chaque pièce et de rendre chaque moteur plus efficace.

Pourquoi les fusées ont des étages

Imaginez une longue randonnée avec une grande gourde que vous n'auriez jamais le droit de poser, même une fois vide. Une fusée d'un seul tenant connaîtrait le même problème : bien après avoir presque vidé ses réservoirs, elle continuerait de transporter toute cette lourde structure. La solution, ce sont les étages.

Une fusée à étages, ce sont en réalité deux fusées ou plus, empilées les unes sur les autres. Le premier étage, souvent appelé le propulseur, fait le gros du travail à travers la partie la plus dense de l'atmosphère. Une fois ses ergols épuisés, il se sépare et l'étage suivant allume son propre moteur, qui pousse désormais un véhicule bien plus léger.

Chaque étage peut être optimisé pour sa tâche. Les moteurs du premier étage fonctionnent mieux dans l'air dense près du sol, tandis que ceux des étages supérieurs ont souvent des tuyères plus grandes, adaptées au quasi-vide qui règne très haut au-dessus. C'est en s'allégeant par paliers que la fusée permet à son dernier étage d'atteindre la vitesse orbitale.

Atteindre la vitesse orbitale : tout est question de vitesse horizontale

Beaucoup de gens imaginent une fusée qui monte tout droit. Monter est pourtant la partie la plus facile, puisqu'une limite de l'espace couramment retenue se situe à environ 100 km au-dessus du sol. Le vrai défi consiste à aller assez vite à l'horizontale pour rester là-haut. C'est pourquoi une fusée s'incline doucement peu après le décollage et passe l'essentiel de son ascension à accélérer le long de l'horizon.

Une orbite est en réalité une chute sans fin. Lancez une balle : elle retombe en décrivant une courbe ; lancez-la plus vite, elle atterrit plus loin. Près de la Terre, à environ 7,8 km/s, le sol s'incurve sous un objet en chute aussi vite que l'objet descend : il continue donc de tomber autour de la planète au lieu de tomber sur elle.

La Station spatiale internationale, à environ 400 km d'altitude, file à près de 28 000 km/h et fait le tour de la Terre en 92 minutes environ, soit environ 16 fois par jour. Pour échapper complètement à l'attraction terrestre et partir vers la Lune, Mars et au-delà, il faut atteindre depuis la surface une vitesse d'environ 11,2 km/s. Essayez différentes altitudes dans le calculateur d'orbite pour voir comment la vitesse et la durée d'une orbite évoluent, et lisez les satellites et les orbites expliqués simplement pour découvrir à quoi sert chaque type d'orbite.

Le retour sur Terre : rentrée atmosphérique et boucliers thermiques

Revenir sur Terre, c'est perdre toute cette vitesse. Plutôt que d'emporter encore plus d'ergols pour ralentir, la plupart des engins spatiaux se servent de l'atmosphère comme d'un frein. Lorsqu'une capsule plonge dans l'air à la vitesse orbitale, l'air devant elle est si fortement comprimé qu'il devient extrêmement chaud, et c'est cette couche incandescente qui assure une grande partie du freinage.

Un bouclier thermique protège l'engin pendant cette phase. Certains boucliers se carbonisent et s'usent lentement en emportant la chaleur avec eux, tandis que d'autres utilisent des tuiles qui isolent l'appareil. Une forme large et arrondie aide aussi, en repoussant devant l'engin un coussin d'air chaud.

Une fois l'engin ralenti, des parachutes ou des moteurs prennent le relais pour une arrivée en douceur. Certaines capsules descendent sous parachute jusqu'à la terre ferme ou jusqu'à la mer, et certains étages de fusée utilisent désormais leurs propres moteurs pour ralentir et se poser à la verticale, ce qui nous mène à l'un des changements les plus passionnants des vols spatiaux.

Les propulseurs réutilisables : des fusées qui se posent et revolent

Pendant la majeure partie de l'histoire des vols spatiaux, depuis le premier satellite artificiel en 1957, les fusées ne volaient qu'une fois. Chaque propulseur accomplissait sa tâche et n'était plus jamais utilisé, un peu comme si l'on construisait un avion neuf pour chaque vol.

Les propulseurs réutilisables changent la donne. Après s'être séparé de l'étage supérieur, un premier étage réutilisable fait demi-tour, rallume ses moteurs pour se diriger et ralentir, puis retraverse l'atmosphère guidé par de petits ailerons. Ses moteurs se rallument une dernière fois près du sol pour qu'il se pose en douceur sur ses jambes d'atterrissage, à la verticale, sur une aire ou sur une plateforme flottante en mer, prêt à être révisé et à voler de nouveau.

SpaceX a ouvert la voie en faisant atterrir à la verticale des propulseurs de classe orbitale puis en les faisant revoler, et a contribué à faire de la réutilisation un élément familier de l'accès à l'orbite. Ses travaux ont encouragé des ingénieurs du monde entier à concevoir des fusées, des moteurs, des étages supérieurs et des capsules pensés pour être réutilisés, afin que la préparation du vol suivant ressemble davantage à l'entretien d'un avion qu'à la construction d'un appareil neuf.

Pourquoi la réutilisation change ce qui est possible

Lorsque les parties les plus coûteuses d'une fusée peuvent revoler, chaque voyage vers l'orbite peut coûter moins cher et les vols peuvent être plus fréquents. Un accès à l'orbite moins coûteux et plus régulier ouvre la voie à des idées qui semblaient autrefois hors de portée.

La réutilisation transforme aussi la manière de travailler des fondateurs : lorsqu'il devient plus facile d'obtenir une place vers l'orbite, une équipe peut tester une idée dans l'espace, en tirer des enseignements et faire voler plus tôt une version améliorée. L'avenir de l'investissement dans l'espace explique comment cette évolution façonne la réflexion des investisseurs de long terme, et l'Explorateur de l'économie spatiale cartographie les couches qui se construisent au-dessus du lancement.

• Des vols plus fréquents : satellites et expériences attendent moins longtemps leur place à bord.
• Un accès à l'orbite moins coûteux : de petites équipes, des universités et de jeunes entreprises peuvent y participer.
• Un apprentissage plus rapide : les ingénieurs peuvent étudier du matériel qui a volé et qui est revenu.
• De la place pour de nouvelles idées, de l'observation de la Terre au service de l'agriculture, des forêts et de la météo jusqu'à la recherche en microgravité.

Le regard de Nicole Junkermann

Nicole Junkermann, entrepreneuse et investisseuse en capital-risque qui présente le podcast Aperçu IA, défend depuis longtemps l'idée que le capital patient est essentiel pour la deep tech (technologies de rupture). Les fusées en sont une illustration frappante : les idées de base sont simples à énoncer, mais les transformer en un matériel capable de se poser et de revoler exige des années d'ingénierie minutieuse et un soutien constant.

À ses yeux, les fusées réutilisables comptent surtout en tant qu'infrastructure : un accès à l'orbite fiable et reproductible, sur lequel d'autres peuvent bâtir en toute confiance. Elle a tendance à se demander ce qui devient possible une fois qu'un problème difficile est résolu de manière fiable, et qui pourra construire ensuite. Pour aller plus loin, lisez son regard sur l'avenir de l'investissement dans l'espace, ou voyez comment les technologies gagnent en maturité avec l'Explorateur des niveaux de maturité technologique.