thumb|Lancement d'une mission Apollo. thumb|Lancement d’une fusée Soyouz.
En astronautique, une fusée est un véhicule qui se déplace dans l'atmosphère ou l'espace propulsé par un ou plusieurs moteurs-fusées. Ce type de propulsion permet d'une part d'atteindre des vitesses de plusieurs kilomètres par seconde tout en ne nécessitant pas la présence d'une atmosphère pour fonctionner (engin autopropulsé c'est-à-dire qui contient en lui-même toute l'énergie nécessaire à sa propulsion) et d'autre part permet de fournir des poussées pouvant atteindre plusieurs centaines de tonnes.
En superposant plusieurs étages de fusée de taille décroissante largués au fur et à mesure de l'épuisement des ergols, une fusée permet de placer en orbite une (satellite artificiel), voire d'échapper à l'attraction terrestre pour explorer les différents corps célestes du système solaire. Les plus grosses fusées construites, comme Saturn V, permettent de placer jusqu'à en orbite basse.
Le moteur-fusée est au cœur du fonctionnement d'une fusée. Les ergols (carburant et comburant puisés dans les réservoirs) sont injectés sous une pression très élevée dans sa chambre de combustion et les gaz produits par la combustion sont accélérés par une tuyère dont la forme est optimisée pour convertir l'énergie thermique en énergie cinétique.
La loi de la conservation de la quantité de mouvement détermine l'accélération subie : celle-ci dépend de la masse des gaz brulés éjectés et de la vitesse d'éjection de ceux-ci (Équation de Tsiolkovski). Le rendement de cette propulsion, mesuré par l'impulsion spécifique, dépend principalement et de la pression dans la chambre de combustion (celle-ci est déterminée par la technique mise en œuvre par le système d'alimentation) et de la nature des ergols utilisés. Pour atteindre des vitesses permettant la mise en orbite, la fusée comprend plusieurs étages (généralement deux ou trois) assistés éventuellement de plusieurs propulseurs d'appoint qui sont largués au fur et à mesure de leur utilisation. La charge utile fixée au sommet de la fusée est protégée par une coiffe qui est larguée lorsque la fusée atteint les régions où la densité de l'atmosphère est faible.
Des fusées très rudimentaires et à très courte portée sont mises au point dès le Moyen Âge pour un usage militaire. La science des fusées est théorisée principalement par le russe Constantin Tsiolkovski à la fin du et mise en pratique sur des fusées performantes dès 1935 par le chercheur américain Robert H. Goddard et surtout par des chercheurs allemands (Hermann Oberth) qui mettent au point au début des années 1940 le premier missile balistique V2 utilisé de manière intensive durant la Seconde Guerre mondiale. Durant cette même période sont développés d'autres applications militaires : roquette, fusée d'assistance au décollage, premiers missiles antiaériens. La période de la guerre froide, qui succède à ce conflit mondial, stimule la recherche qui aboutit au développement des missiles balistiques intercontinentaux pouvant porter une arme nucléaire de l'autre côté de la planète et capables d'anéantir des pays entiers.
Vers la fin des années 1950 toutes les connaissances techniques nécessaires à la mise au point de lanceurs spatiaux sont maitrisées : c'est le début de l'ère spatiale avec la mise en orbite des premiers satellites. Les fusées constituent progressivement un vecteur essentiel pour de nombreuses applications spatiales tant militaires que civiles : télécommunications, études scientifiques de la Terre et du système solaire, navigation, reconnaissance militaire. Chaque année de 100 à 200 lanceurs spatiaux décollent pour placer en orbite des satellites dont le nombre croit ces dernières années de manière exponentielle. La technologie des fusées est également au cœur de nombreux types d'armes allant du missile antichar au missile balistique embarqué sur sous-marin.
Les fusées modernes mettent en œuvre des technologies qui étaient pour l'essentiel déjà maîtrisées durant la décennie 1960. Les recherches contemporaines poursuivent principalement deux objectifs : d'une part abaisser le coût de fabrication (un lanceur lourd capable de placer une vingtaine de tonnes en orbite basse peut coûter plus de 100 millions €) et d'autre part, de manière plus marginale, augmenter le rendement de la propulsion. Le développement du lanceur partiellement réutilisable Falcon 9 devenu opérationnel durant la deuxième moitié de la décennie 2010 contribue largement au premier objectif et la mise au point d'un lanceur complètement réutilisable est envisageable à court terme. L'augmentation du rendement de la propulsion, qui concerne plutôt l'étage supérieur des fusées, nécessite le passage au stade opérationnel de solutions techniques confinées aujourd'hui aux laboratoires : propulsion nucléaire thermique, Moteur VASIMR
Définition
Une fusée est un engin autopropulsé (c'est-à-dire qui contient en lui-même toute l'énergie nécessaire à sa propulsion) qui se déplace dans l'atmosphère ou l'espace grâce à un ou plusieurs moteurs-fusées. Ce type de moteur à réaction fonctionne en brulant des ergols uniquement stockés dans ses réservoirs (contrairement à un moteur à réaction classique qui utilise comme comburant l'oxygène de l'atmosphère). Cette particularité permet à la fusée de fonctionner dans le vide de l'espace. Grâce à la pression très élevée atteinte dans la chambre de combustion et au recours à une tuyère qui permet d’accélérer les gaz brulés, ce type de propulsion permet d'atteindre des vitesses très élevées (plusieurs km/s) et des poussées de plusieurs centaines de tonnes. Les domaines d'applications sont à la fois militaires (missiles, missiles balistiques, missiles balistiques intercontinentaux) et civils (lanceurs spatiaux, fusées-sondes).
Principes de fonctionnement
Le cœur d'une fusée est sa propulsion qui par définition est assurée par un ou plusieurs moteurs-fusées. Celui-ci fonctionne en éjectant à grande vitesse de la matière dont les éléments sont stockés initialement dans ses réservoirs (ergols). L'éjection découle soit de l’exploitation de l'énergie chimique contenue dans les ergols soit en accélérant ceux-ci grâce à un champ électrique ou magnétique. Le déplacement de la fusée est régi par la loi de la conservation de la quantité de mouvement : le gain de vitesse obtenu, déterminé par l'équation de Tsiolkovski, est proportionnel d'une part à la vitesse d'éjection de la matière et au d'autre part logarithme népérien de l'indice structurel qui est le ratio entre la masse initiale de la fusée et sa masse finale après la phase de propulsion. La vitesse d'éjection est au maximum de 4,5 km/s pour les ergols les plus performants. Même en optimisant la masse à vide de la fusée, les calculs indiquent qu'un lanceur spatial, qui doit atteindre une vitesse de 7,7 km/s pour se placer sur une orbite terrestre basse, ne pourra transporter dans le meilleur des cas, qu'une charge utile peu importante. Pour contourner cette contrainte, un lanceur spatial comporte plusieurs étages, qui sont largués au fur et à mesure de leur utilisation.
Fonctionnement du moteur-fusée
Dans le cas classique des moteurs-fusées dits thermochimiques, la propulsion repose, comme pour un moteur à essence de voiture, sur l'énergie dégagée par la combustion d'un carburant avec un comburant (ergols). Le moteur-fusée comporte deux éléments essentiels : la chambre de combustion et la tuyère. Les ergols sont brûlés dans la chambre de combustion : cette réaction chimique qui fait intervenir le réducteur (le carburant) et l'oxydant (le comburant), est fortement exothermique c'est-à-dire qu'elle dégage de la chaleur et porte les gaz résultant de la combustion à des températures de plusieurs milliers de degrés. Les gaz produits s'échappent de la chambre de combustion par un orifice relativement étroit. Dans le cas d'un moteur-fusée (mais ce n'est pas le cas d'un feu d'artifice) cet orifice est occupé par une tuyère de Laval caractérisée par une forme spécifique (cône convergent puis divergent) qui permet d'accroitre considérablement la vitesse des gaz expulsés : en circulant dans la tuyère la pression et la température du gaz diminue tandis que sa vitesse s'accroit. L'énergie thermique de la combustion s'est transformée en énergie cinétique. L'expulsion des gaz à grande vitesse (entre 2000 et selon les ergols utilisés et l'efficacité du moteur-fusée) génère une poussée sur la fusée en sens opposé en application de la loi de la conservation de la quantité de mouvement. La vitesse de la fusée s'accroit.
À la différence d'un moteur classique le comburant (par exemple l'oxygène) est stocké dans la fusée et non pas aspiré dans l'atmosphère ce qui permet à la fusée de fonctionner dans le vide ou dans une atmosphère très raréfiée. Dans un moteur-fusée à ergols liquides le comburant et le carburant stockés dans des réservoirs sous forme liquide sont injectés dans la chambre de combustion sous pression grâce à un système d'alimentation qui peut prendre différentes formes : turbopompe, mise en pression des réservoirs.... Dans la propulsion à propergol solide la chambre de combustion est le canal central percé dans le bloc solide constitué par le mélange de comburant et de carburant. La couche superficielle du canal dans le bloc de propergol brûle et génère des gaz qui sont expulsés par une tuyère selon les mêmes principes que la propulsion à ergols liquides. Il se développe depuis plusieurs décennies des moteurs ioniques ou plasmiques dont le principe est très proche de celui des fusées à eau : un gaz noble (xénon) est accéléré à très haute vitesse par un dispositif électrique (dix fois plus vite que dans un très bon moteur thermochimique) puis éjecté. Ces moteurs trouvent leur énergie dans une alimentation électrique externe (panneaux solaires, en général) et n'utilisent donc le gaz neutre que pour la conversion de cette énergie en énergie cinétique permettant la propulsion de l'engin selon le principe de conservation de la quantité de mouvement.
Équation de Tsiolkovski
Le gain de vitesse d'un engin propulsé par un moteur-fusée est régi par la loi de la conservation de la quantité de mouvement : le changement de vitesse (noté ) sur une durée donnée est proportionnel au logarithme népérien de la masse de gaz expulsée durant ce laps de temps divisée par la masse totale de la fusée au début de la période considérée. Le changement de vitesse est également proportionnel à la vitesse d'éjection du gaz.
Plus précisément cette loi, dite équation de Tsiolkovski, s'énonce ainsi :
où : est la variation de vitesse entre le début et la fin de la phase propulsée considérée, exprimée en ; est la vitesse d'éjection des gaz, exprimée en ; est la masse totale de la fusée au début de la phase propulsée ; est la masse totale de la fusée à l'issue de la phase propulsée, exprimée dans la même unité que .
Cette équation est établie en intégrant l'équation de conservation de la quantité de mouvement entre le début et la fin de la phase propulsée avec les hypothèses suivantes : la fusée n'est soumise qu'à la force de poussée fournie par ses moteurs, aucune autre action extérieure (gravité, efforts aérodynamiques) n'est prise en compte. Dans la réalité la force exercée par la gravité et, de manière plus marginale, la traînée induite par la friction de l'atmosphère sur le corps de la fusée ainsi que d'autre forces, réduisent d'environ sur l'ensemble du vol dans le cas d'une satellisation autour de la Terre qui nécessite en l'absence de ces perturbation un minimum de ; le débit massique d'ergol est constant pendant la phase de propulsion ; la vitesse d'éjection des gaz est elle aussi constante ; la mesure du mouvement est faite dans un référentiel d'inertie.
Impulsion spécifique