1 Les lanceurs spatiaux Projet d’étude en vue de l’obtention de l’unité de valeur AC20 Ecrit par Béclin Julien et Peoc’h Maël Encadré par Michel Kieffer Projet réalisé au semestre de printemps 2018 et finalisé le 17/06/2018 UTBM-AC20 Lanceurs spatiaux indice E5 le 19/06/18 2 UTBM-AC20 Lanceurs spatiaux indice E5 le 19/06/18 3 Remerciements Nous tenons tout d’abord à remercier Mr Michel KIEFFER, pour avoir donné de son temps afin de nous encadrer et aider au cours de ce projet. Nous souhaitons aussi remercier Mr Mohamed TACHIKART, responsable de l’UV AC20, pour nous avoir donné la possibilité de réaliser ce projet. Ainsi que tout le corps enseignant de l’UTBM. Nous voulons aussi remercier Mr Jean-Yves TRIPONEY, pour nous avoir aidés à répondre à certaines questions que nous avons eues au cours du projet. Finalement, nous souhaitons tous les deux remercier nos familles respectives qui nous ont aidés à leur manière au cours de ce projet et dans nos études de façon générale. UTBM-AC20 Lanceurs spatiaux indice E5 le 19/06/18 4 Introduction Nous avons réalisé ce projet dans le cadre de L’UV d’AC20, dont le but est d’étudier de manière autonome un sujet scientifique. Nous avons décidé d'étudier l'aérospatiale et notamment les lanceurs spatiaux. Nous avons toujours eu une certaine curiosité pour ce sujet passionnant. De plus, aujourd’hui ce redevient d’actualité avec les réussites du programme Falcon de SpaceX et avec la relance du programme spatiale du gouvernement Américain. Un engouement médiatique que ce sujet n’a pas connu depuis la fin des programmes Apollo. UTBM-AC20 Lanceurs spatiaux indice E5 le 19/06/18 5 Table des matières Remerciements ....................................................................................................................................... 3 Introduction ............................................................................................................................................. 4 Questionnements .................................................................................................................................... 7 Chapitre I : Principe de propulsion .......................................................................................................... 8 Mise en situation ................................................................................................................................. 8 Application à une fusée ..................................................................................................................... 10 Conséquences sur l’objectif des moteurs fusées .......................................................................... 11 Equation de Tsiolkovski ..................................................................................................................... 12 Pourquoi des fusées à plusieurs étages ? .......................................................................................... 14 Y’a-t-il une répartition idéale ?.......................................................................................................... 17 Hypothèse pour le modèle : .......................................................................................................... 17 Mise en équation du modèle : ...................................................................................................... 17 Exploitation du modèle : ............................................................................................................... 18 Approfondir le modèle : ................................................................................................................ 19 Nouvelle exploitation .................................................................................................................... 20 Chapitre II : Tuyère de Laval .................................................................................................................. 22 Description du système ..................................................................................................................... 22 Comment varie la vitesse des gaz ? ............................................................................................... 23 Pourquoi les gaz sont accélérés à la fois dans le convergent et le divergent ?............................. 24 Comment cette relation peut-elle caractériser un moteur ? ............................................................ 25 23 décembre 2017 : était-ce un ovni ? .............................................................................................. 27 Chapitre III : Les ergols .......................................................................................................................... 30 La puissance avant tout : ................................................................................................................... 30 La tyrannie des compromis : ............................................................................................................. 30 Un peu de concret ............................................................................................................................. 31 Comment les ergols sont utilisés suivant les moteurs ? ................................................................... 34 Les « boosters » ............................................................................................................................. 34 L’étage cryotechnique ................................................................................................................... 35 Le stockage des ergols ....................................................................................................................... 37 Mais si ces ergols sont si difficiles à stocker, pourquoi sont-ils autant utilisés ? .......................... 37 Comment pourrait-on estimer l’efficacité d’un couple d’ergol ? ..................................................... 37 Chapitre IV : Premières utilisations concrètes des systèmes de propulsion. ........................................ 40 V1 & Pulsoréacteur : .......................................................................................................................... 40 Bref descriptif ................................................................................................................................ 40 UTBM-AC20 Lanceurs spatiaux indice E5 le 19/06/18 6 Description des cycles ................................................................................................................... 41 Le V2, la première fusée à ergols liquides : ....................................................................................... 43 Impact de ces systèmes : ................................................................................................................... 47 Chapitre V : Saturn V et Soyouz ............................................................................................................. 49 Contextualisation .............................................................................................................................. 49 Saturn V ............................................................................................................................................. 49 Développement et missions .......................................................................................................... 50 Aspect technique ........................................................................................................................... 51 Premier étage ................................................................................................................................ 51 Deuxième étage ............................................................................................................................. 52 Soyouz : ............................................................................................................................................. 54 Développement et missions .......................................................................................................... 54 Synthèse : .......................................................................................................................................... 59 Qu’en est-il des évolutions à venir ? ..................................................................................................... 60 Qu’est-ce qui différencie SpaceX d’un lanceur plus « classique » .................................................... 60 Comment le premier étage EPC est récupéré ? ................................................................................ 60 Etapes d’une mise en orbite : ........................................................................................................ 61 Comment est récupéré l’EPC ? ...................................................................................................... 62 Les projets futurs ............................................................................................................................... 62 UTBM-AC20 Lanceurs spatiaux indice E5 le 19/06/18 7 Questionnements Un lanceur spatial est une fusée dont l’objectif est de placer des charges utiles en orbite autour de la Terre ou dans l’espace interplanétaire. On distingue alors deux grandes catégories de lanceurs classiques vus comme « consommables » et les « récupérables » tels que les navettes et certains lanceurs plus conventionnels (Falcon 9 par exemple). Comment se déroule une mission de mise en orbite ?