Écrit par Beverly Perry
Qu’est-ce que l’eau et l’aluminium ont en commun ?
Si vous avez deviné que l’eau et l’aluminium font voler le SLS, donnez-vous une étoile en or !
La chimie est au cœur de la fabrication des fusées. La propulsion des fusées suit la troisième loi de Newton, qui stipule que pour toute action, il existe une réaction égale et opposée. Pour faire décoller une fusée de la rampe de lancement, créez une réaction chimique qui projette des gaz et des particules à une extrémité de la fusée et la fusée partira dans l’autre sens.
Quel type de réaction chimique fait jaillir des gaz chauds de l’extrémité opérationnelle d’une fusée avec une vitesse suffisante pour la détacher de la gravité terrestre ? La combustion.
Qu’il s’agisse de votre véhicule personnel ou d’un véhicule de lancement mastodonte comme le SLS, les bases sont les mêmes. La combustion (brûler quelque chose) libère de l’énergie, ce qui fait avancer les choses. Commencez avec du carburant (quelque chose à brûler) et un oxydant (quelque chose pour le faire brûler) et vous obtenez un propergol. Donnez-lui une étincelle et l’énergie est libérée, ainsi que certains sous-produits.
Pour que le SLS puisse voler, la combustion a lieu dans deux zones principales : les moteurs principaux (quatre RS-25 d’Aerojet Rocketdyne) et les deux propulseurs d’appoint à poudre (construits par Orbital ATK) qui fournissent plus de 75 % de la poussée au décollage. La combustion alimente les deux systèmes de propulsion, mais les combustibles et les oxydants sont différents.
Les moteurs principaux RS-25 sont appelés « moteurs liquides » car le carburant est de l’hydrogène liquide (LH2). L’oxygène liquide (LOX) sert d’oxydant. Les boosters, quant à eux, utilisent de l’aluminium comme combustible avec du perchlorate d’ammonium comme oxydant, mélangé à un liant qui crée un seul propergol solide homogène.
Faire de l’eau fait voler le SLS
L’hydrogène, le combustible des moteurs principaux, est l’élément le plus léger et existe normalement sous forme de gaz. Les gaz – en particulier l’hydrogène léger – sont de faible densité, ce qui signifie qu’une petite quantité de gaz prend beaucoup de place. En avoir suffisamment pour alimenter une grande réaction de combustion nécessiterait un réservoir incroyablement grand pour le contenir – le contraire de ce qui est nécessaire pour un véhicule de lancement aérodynamique.
Pour contourner ce problème, transformer l’hydrogène gazeux en liquide, qui est plus dense qu’un gaz. Cela signifie refroidir l’hydrogène à une température de -423 degrés Fahrenheit (-253 degrés Celsius). Sérieusement froid.
Bien qu’il soit plus dense que l’hydrogène, l’oxygène doit également être comprimé en liquide pour tenir dans un réservoir plus petit et plus léger. Pour transformer l’oxygène en liquide, on le refroidit à une température de -297 degrés Fahrenheit (-183 degrés Celsius). Bien que cette température soit plus douce que celle du LH2, les deux ingrédients des propergols doivent être manipulés de manière particulière à ces températures. Qui plus est, le LH2 et le LOX cryogéniques s’évaporent rapidement à la pression et à la température ambiantes, ce qui signifie que la fusée ne peut être chargée en propergol que quelques heures avant le lancement.
Une fois dans les réservoirs et alors que le compte à rebours du lancement approche de zéro, le LH2 et le LOX sont pompés dans la chambre de combustion de chaque moteur. Lorsque le propergol est allumé, l’hydrogène réagit de manière explosive avec l’oxygène pour former : de l’eau ! Élémentaire!
2H2 + O2 = 2H2O + Énergie
Cette réaction « verte » libère des quantités massives d’énergie ainsi que de l’eau surchauffée (vapeur). La réaction hydrogène-oxygène génère une chaleur énorme, ce qui fait que la vapeur d’eau se dilate et sort des tuyères du moteur à des vitesses de 10 000 miles par heure ! Toute cette vapeur qui se déplace rapidement crée la poussée qui propulse la fusée depuis la Terre.
C’est une question d’impulsion
Mais ce n’est pas seulement la réaction de l’eau, respectueuse de l’environnement, qui fait du LH2 cryogénique un fantastique carburant pour fusée. Tout est question d’impulsion – d’impulsion spécifique. Cette mesure de l’efficacité du carburant pour fusée décrit la quantité de poussée par quantité de carburant brûlé. Plus l’impulsion spécifique est élevée, plus vous obtenez de » poussée hors de la rampe » par livre de carburant.
Le propergol LH2-LOX a l’impulsion spécifique la plus élevée de tous les carburants de fusée couramment utilisés, et le moteur RS-25, incroyablement efficace, obtient un excellent kilométrage de gaz à partir d’un carburant déjà efficace.
Mais même si le LH2 a l’impulsion spécifique la plus élevée, en raison de sa faible densité, transporter suffisamment de LH2 pour alimenter la réaction nécessaire pour quitter la surface de la Terre nécessiterait un réservoir trop grand, trop lourd et avec trop d’isolation protégeant le propergol cryogénique pour être pratique.
Pour contourner cela, les concepteurs ont donné un coup de pouce au SLS.
La prochaine fois : Comment les propulseurs à poudre utilisent de l’aluminium – le même matériau que celui que vous utilisez pour recouvrir vos restes – pour fournir une poussée suffisante pour faire décoller le SLS.
Les propulseurs à poudre…