Fusée à pas

Graphique : Séparation des marches sur le Falcon 9

Détachement et détonation du troisième étage d'un missile Delta II

Graphique : Séparation des marches à Saturne IB

Étape de séparation au cours du vol d'un LGM-30 Minuteman III ICBM

Une fusée à étages ou une fusée à plusieurs étages se compose de plusieurs étages de fusée de taille décroissante , souvent montés les uns au-dessus des autres , dans lesquels les réservoirs de carburant vides et les moteurs qui ne sont plus nécessaires sont largués afin qu'ils n'aient pas à être accélérés davantage avec la charge utile. De cette manière, des vitesses plus élevées et donc des orbites plus élevées sont atteintes qu'avec des fusées à un étage. Toutes les fusées utilisées pour atteindre les orbites terrestres étaient et sont à plusieurs étages.

histoire

Les premières descriptions et illustrations de fusées à plusieurs étages sont apparues au 14ème siècle dans le Huo Lung Ching , un manuel chinois sur les armes à feu . Le technicien militaire autrichien Conrad Haas a décrit un grand nombre de types de fusées dans son livre d'art (uniquement trouvé en 1961) entre 1529 et 1556 , y compris la fusée à plusieurs étages. L'officier d'artillerie polonais Casimir Simienowicz a décrit des roquettes à trois étages en 1650. L'enseignant russe et autodidacte Konstantin Ziolkowski a mis le principe à plusieurs étapes avec son équation de fusée de base sur une base scientifique. Celui-ci indique que la vitesse finale d'une fusée à un étage dans un espace sans poids ne dépend que de la vitesse d'écoulement des gaz du moteur et du rapport entre la masse au décollage et la masse finale (masse au décollage - carburant).

Sous la désignation A9 / A10 , les ingénieurs allemands ont commencé à développer une fusée à plusieurs étages basée sur la fusée A4 pendant la Seconde Guerre mondiale , mais ne l'ont jamais achevée. Le développement de gros missiles multi-étages a été avancé en particulier pour une utilisation militaire aux États-Unis et en Union soviétique à partir de la fin des années 1940. Différentes configurations ont été examinées, dont les fusées empilées et les fusées à boosters sont aujourd'hui utilisées.

Comparaison de différentes configurations. De gauche à droite : missile à un étage, missile à deux étages empilé, missile à un étage avec boosters, missile avec réservoirs externes éjectables.

la description

Les fusées les plus simples se composent d'un seul étage avec un moteur. Dans le cas de missiles empilés, les étages sont disposés les uns au-dessus des autres et allumés les uns après les autres. Théoriquement, ce processus pourrait être répété aussi souvent que nécessaire, mais avec plus de quatre étapes, l'effort pour les moteurs est i. ré. Généralement supérieur au gain de masse. Si les étages sont allumés en même temps, mais brûlent pendant des durées différentes, ils sont souvent comptés comme des demi-étages. Si ce principe est utilisé au départ, on parle de boosters . Par exemple, Ariane 5 est une fusée à 2,5 étages : elle fait exploser ses boosters avant que le premier étage ne brûle. Le deuxième étage porte une charge utile, qui a souvent son propre moteur. En fait, il s'agit d'une troisième étape, mais elle n'est souvent pas comptabilisée dans le cas des lanceurs. L'entraînement de la charge utile réelle pour atteindre le chemin prévu n'est pas non plus compté, car cela ne fait pas partie du lanceur.

Séparation de scène

La mise en œuvre technique est exigeante et nécessite un timing précis. En particulier, la liaison entre les marches, qui a été soumise à des charges mécaniques élevées, doit être séparée mécaniquement. Cela se fait souvent de manière pyrotechnique, par exemple au moyen de boulons pyrotechniques ou de charges coupantes , parfois aussi au moyen de systèmes de tension de sangle ou pneumatiquement . Après cela, une collision doit être évitée. Si l'étage à séparer a encore une poussée résiduelle, de petits moteurs auxiliaires peuvent être utilisés sur l'étage supérieur, qui les éloignent de l'étage inférieur et provoquent ainsi également une position définie des ergols dans les fusées liquides (voir Ullage ). Enfin, la séquence d'allumage correcte de l'étage supérieur doit être exécutée.

Un exemple d'échec de séparation est le vol habité Soyouz MS-10 d'octobre 2018. Chez Soyouz , entre autres, l'oxygène restant de leurs réservoirs est utilisé pour séparer les boosters du premier étage ; le gaz s'écoule par le haut du booster et crée un recul. La vanne d'oxygène sur l'un des boosters ne s'est pas ouverte, après quoi il est entré en collision avec le deuxième étage et a endommagé son réservoir de carburant. Le vaisseau spatial avec les deux membres d'équipage a été automatiquement mis en sécurité au moyen de moteurs de sauvetage.

Situation aujourd'hui

La Saturn V , la fusée de lancement des missions lunaires Apollo , se composait de trois étages de fusée. La plupart des fusées à étages utilisées dans les voyages spatiaux de nos jours ont également trois étages, mais il existe également des systèmes à deux ou quatre étages. Le PSLV indien a même cinq niveaux si vous comptez son booster comme un niveau indépendant. Le dernier étage est parfois appelé étage de poussée ou moteur de poussée , car il expulse le satellite de son orbite actuelle vers une orbite supérieure ou interplanétaire .

Certains missiles peuvent être équipés de différents étages supérieurs. Ensuite la plupart du temps le niveau supérieur et le niveau inférieur ont chacun leur propre système de contrôle (systèmes de gyroscopes et autres capteurs ). D'autres fusées comme l' Ariane n'ont fondamentalement qu'un seul système de contrôle qui se trouve à l'étage supérieur et contrôle tous les étages (même avec des versions avec différents étages supérieurs comme Ariane 5 GS et Ariane 5 ECA). Le niveau supérieur est généralement séparé de son niveau inférieur par de petites charges explosives avant qu'il n'explose.

Le deuxième étage de fusée d'une Saturn V est abaissé sur le premier

La vitesse finale est constituée des vitesses atteintes individuellement par chaque étage, si l'on fait abstraction de l'accélération négative provoquée par le champ de gravité terrestre :

${\ displaystyle \ v = c_ {1} \ ln {m_ {1}} + c_ {2} \ ln {m_ {2}} + c_ {3} \ ln {m_ {3}},}$

où c _{1 est} la vitesse d'écoulement des gaz du premier étage moteur (quelques km par seconde), et ln m représente pour le logarithme de la respective rapport massique de décollage poids pour poids à vide . Il convient de noter que m _{1, en} tant que poids à vide, doit également transporter le deuxième et le troisième étage, etc., mais m ₃ ne doit transporter que la charge utile - le ou les satellites .

Le poids à vide n'est pas seulement déterminé sur la carcasse du missile (qui ne doit pas être trop mince pour des raisons de stabilité), mais aussi sur la tuyère Laval et le carburant - pompe et unités auxiliaires. Dans les fusées bon marché, le rapport de masse est supérieur à 5, de sorte que les moteurs avec des vitesses de tuyère autour de c = 3 km / s atteignent environ 5 km / s (3 km / s · ln 5 = 4,8 km / s). En fait, cependant, la gravité réduit considérablement la vitesse des étages inférieurs de la fusée (typiquement d'environ 1 à 2 km / s avec un temps de combustion de trois minutes, selon l'accélération initiale), ce qui doit être pris en compte lors de la conception du système. .

Possibilités d'amélioration

Une augmentation de l'efficacité des fusées à carburant liquide avec boosters pourrait être obtenue en connectant le ou les moteurs de l'étage de fusée le plus bas aux réservoirs de carburant des boosters. Si à la fois les boosters et ceux de l'étage le plus bas de la fusée puisent leur carburant dans les réservoirs des boosters dès le départ, ces derniers se videraient plus rapidement et les boosters pourraient être éjectés plus tôt. Ce n'est qu'alors que l'étage de fusée le plus bas brûlerait le carburant de ses propres réservoirs.

Une telle alimentation croisée de propergol était initialement prévue pour le Falcon Heavy de SpaceX mais n'a pas été réalisée.

Littérature

• Ernst Grimsehl : Manuel de physique Grimsehl. Volume 1, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Wiesbaden 1991, ISBN 978-3-663-05733-8 .
• Helmuth Hausen , Rudolf Plank : Manuel de technologie de réfrigération. Huitième volume, production de très basses températures, Springer Verlag Berlin Heidelberg GmbH, Berlin Heidelberg 1957.
• Josef Stemmer : Propulsion de fusée. Schweizer Druck- und Verlagshaus AG, Zurich.
• Chapitre 2.5 Lanceurs chimiques à un ou plusieurs étages. Dans : Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas : Systèmes spatiaux. Springer Verlag Berlin Heidelberg, 5e édition, Berlin Heidelberg 2017, ISBN 978-3-662-49637-4 .
• Chapitre 3 Mise en scène des fusées. Dans : Ulrich Walter : Astronautics : The Physics of Space Flight , Springer, 3e édition, 2018, ISBN 978-3-319-74372-1 .
• Chapitre 3.2 Technologies pas à pas. Dans : W. Ley, K. Wittmann, W. Hallmann (Eds.) : Handbuch der Raumfahrttechnik , Hanser, 4e édition, Munich 2011, ISBN 978-3-446-42406-7 .

liens web

• Fhio / v Propulsion System Requirements for an Interstellar Probe (consulté le 26 mai 2016)

Preuve individuelle

1. ^ Anatoly Zak : Soyouz MS-10 effectue un atterrissage d'urgence après un échec de lancement. Dans : Web spatial russe. Octobre 2018, consulté le 15 août 2019 . 
2. ↑ John K. Strickland, Jr. : Le SpaceX Falcon Heavy Booster : Pourquoi est-ce important ? National Space Society, septembre 2011, consulté le 25 août 2019 . 
3. ↑ Message Twitter d'Elon Musk, 1er mai 2016.