Comment fonctionne une fusée ?

L'envoi d'une fusée est aujourd'hui régie par les lois de la physique, en particulier par les trois lois de Newton sur le mouvement. Tout d'abord, il n'y a pas d'action sans réaction. De ce fait, une fusée doit provoquer une poussée suffisante pour permettre d'échapper à la pesanteur terrestre qui la maintient au sol. Pour provoquer une poussée suffisante, il faut provoquer une réaction chimique extrême entre un comburant et un carburant. Pour le comburant (ce qui brûle), on utilise de l'hydrogène liquide. (plus facile à stocker et moins dangereux que le kérozène, utilisée au début de l'ère spatiale). Pour le carburant (ce qui fait brûler), on utilise aujourd'hui du dioxygène liquide. Le principe du moteur d'une fusée est de réaliser la combustion d'un combustible par un oxydant (comburant) dans une chambre de combustion. Cette réaction produit des gaz à très hautes températures qui cherchent à sortir de la chambre, qui ne possède qu'une ouverture (appelée la tuyère) : les gaz sont donc dirigés et éjectés par la tuyère. Cette éjection est l'action, appelée poussée. Et la réaction fait avancer la fusée dans le sens inverse de celui de l'éjection des gaz. Cette réaction se produit à l'intérieur du moteur et ne nécessite aucune présence d'oxydant extérieur, comme l'oxygène contenu dans l'air. En brûlant dans une chambre, le carburant dégage des gaz dont la pression augmente au fur et à mesure de la combustion. Si la chambre est fermée, elle explose. Si l'on permet aux gaz de s'échapper par le bas (action), ils créent une poussée vers le haut (réaction) qui fait décoller la fusée. La loi de Newton étant valable en tout lieu, ce principe peut aussi bien fonctionner dans l'atmosphère terrestre que dans le vide spatial.

Il est ensuite possible :
- soit de disposer le couple combustible-comburant, appelés propergols, dans la chambre de combustion. Dans ce cas, les propergols sont solides.
- soit d'injecter les propergols séparément qui sont alors stocké dans des réservoirs . Dans ce cas, les propergols sont liquides et on parle de moteur à propergol liquide.

Lorsque le combustible brûle durant la montée, la masse diminue. En s'éloignant de la Terre, la masse et la gravité décroissent. A poussée constante, la vitesse de la fusée augmente donc.

Un moteur à poudre est plus simple à mettre en œuvre qu'un moteur fonctionnant avec des liquides. On ne peut cependant pas arrêter la combustion une fois que le moteur est allumé, contrairement aux moteurs alimentés par des liquides qui peuvent être arrêtés après l'allumage et même redémarrés ensuite.

Avec des composés solides, on peut atteindre une vitesse de 3 km/s. Le mélange oxygène/hydrogène, utilisé par exemple pour la navette spatiale, permet d'obtenir des vitesses de l'ordre de 4,5 km/s. Enfin, certains couples comme le mélange oxygène/BeH2 ou fluor/LiH2 permettraient d'atteindre 7 km/s, mais ces composés hautement explosifs ne sont pas utilisés. Pour dépasser ces vitesses et aller encore plus vite, il faut changer de système !