Présentation

Ces courts voyages au-dessus de la ligne Kármán, à environ 100 kilomètres d'altitude, offrent aux passagers quelques minutes de microgravité et une vue panoramique de la Terre contre la noirceur de l'espace. Au cœur de chaque mission suborbitale réussie se trouve une seule variable non négociable : ]thrust[. L'ampleur et le contrôle de la poussée déterminent si un véhicule peut surmonter la gravité, la traînée et la résistance atmosphérique pour atteindre la limite de l'espace. La poussée n'est pas simplement un paramètre technique; elle détermine directement la sécurité, le confort et la qualité globale de l'expérience pour chaque passager qui s'attache à une capsule spatiale privée.

Qu'est-ce que la poussée ?

Dans le contexte de la fusée, la poussée est la force produite lorsqu'un moteur de fusée expulse le propulse à grande vitesse dans une direction, générant une force égale et opposée qui pousse le véhicule vers l'avant. Ce principe, dérivé de la troisième loi de Newton, est le seul moyen de propulsion au-delà de l'atmosphère de la Terre.

Principes du moteur à fusée

La pression de sortie est la pression de sortie, Pa]eeee]e]e]e]e]e], où - est le débit massique, v]e]e est la vitesse d'échappement, Pe]e, où -, où -ae]e est la vitesse d'échappement, P]ee est la pression de sortie, Pae est la pression ambiante, et Ae doit être modifiée comme

Mesure de la poussée et de l'impulsion spécifique

Les ingénieurs quantifient la poussée en unités de force, généralement de newton (N) ou de los-force (lbf). Plus important que la poussée brute est impulsion spécifique[ (I]sp, une mesure de l'efficacité définie comme la poussée par unité de débit de propulseur. Une impulsion spécifique plus élevée signifie une poussée par kilogramme de propulseur, permettant au véhicule de transporter moins de carburant pour une exigence donnée de delta‐v. Les véhicules suborbitaux utilisent souvent des moteurs à propulseur liquide (p. ex., oxygène liquide et kérosène, ou oxygène liquide et hydrogène) en raison de leur impulsion et de leur capacité de commande élevée.

Le rôle de la poussée dans le vol suborbital

La poussée gouverne chaque phase d'une mission suborbitale. Du moment de l'allumage à l'arrêt du moteur, le profil de poussée doit être précisément orchestré pour répondre aux cibles de trajectoire, d'altitude et d'accélération.

Lancement et profil d'ascension

Pendant les premières secondes de lancement, la poussée du véhicule doit dépasser son poids total (y compris le propergol) pour produire une accélération nette positive vers le haut. Le rapport de poussée au poids (T/W) au décollage est critique : un T/W supérieur à 1,2 est typique pour les véhicules suborbitaux, fournissant une marge suffisante pour surmonter la gravité et la traînée aérodynamique. À mesure que le propergol est consommé et que le véhicule devient plus léger, l'accélération augmente.

Exigences du Delta‐V

Delta‐v (Δv) est la variation totale de la vitesse nécessaire pour atteindre une altitude donnée et revenir en toute sécurité. Pour une trajectoire suborbitale, le delta‐v requis est nettement plus bas que pour un vol orbital, habituellement autour de 1,2–1,4 km/s pour une apogée de 100km, comparativement à environ 9,4 km/s pour atteindre une orbite terrestre basse. La mission suborbitale n'ayant pas besoin d'atteindre la vitesse orbitale, la fusée peut être plus petite et plus simple. Néanmoins, la poussée doit être suffisante pour délivrer ce delta‐v dans le court délai de combustion, généralement de 2–3 minutes.

Ratio de halte et de poussée à la masse

La plupart des véhicules de tourisme suborbitaux sont monophasés, ce qui signifie qu'ils transportent tous leurs propergols dans une même structure. Le rapport poussée-poids change considérablement à mesure que les égouts de propergols. Au début du vol, lorsque le véhicule est le plus lourd, l'accélération peut être modérée (environ 1,5 à 2 Gs). À mesure que le propergol brûle, la poussée demeure constante (ou peut être étirée), de sorte que l'accélération monte. Pour éviter de dépasser les limites de confort des passagers à l'épuisement, les contrôleurs moteurs réduisent la poussée en continu.

Effets de la poussée sur l'expérience des passagers

Le profil de poussée est le facteur déterminant dans ce que ressentent les passagers lors du lancement et de l'ascension. Bien que la destination – l'espace – soit l'attraction principale, le voyage lui-même est une expérience viscérale et physique qui doit être conçue en tenant compte de la physiologie humaine.

Gestion des G-Force

La tolérance humaine à l'accélération est bien documentée. La plupart des personnes non entraînées peuvent résister jusqu'à 3–4 G dans la direction du thorax (balles oculaires) sans inconfort grave, et de nombreux opérateurs suborbitaux ciblent cette gamme. Cependant, le taux d'accélération et la durée de la poussée comptent autant que la valeur maximale. Une montée en flèche en douceur, obtenue par étranglement progressif, permet aux passagers de s'adapter. Des changements abrupts – comme une poussée inattendue – peuvent entraîner une désorientation, une tension musculaire, voire une perte temporaire de vision périphérique (grisure).

Durée et qualité de l'apesanteur

La poussée détermine également la longueur et la qualité de la période de microgravité. Lors d'un vol suborbital, le moteur brûle à une certaine vitesse, puis s'arrête. Le véhicule continue de monter en côte, ralentissant sous la gravité jusqu'à ce qu'il atteigne l'apogée. À ce moment, le véhicule commence à tomber en arrière. La période d'apesanteur commence à la coupure du moteur et se termine lorsque le véhicule rentre de nouveau dans l'atmosphère sensée (ou lorsque les passagers sont attachés en vue de la rentrée). Une poussée plus élevée permet une combustion plus courte pour atteindre la vitesse nécessaire, mais le temps total en chute libre dépend de la hauteur du véhicule et de la vitesse de déplacement à l'épuisement. Inversement, une poussée plus faible, une combustion plus longue peut prolonger le temps que le moteur est en marche (et les passagers sont sous les forces G), réduisant la phase de microgravité de la côte.

Lissage de la course

Les fluctuations de poussée, causées par les instabilités de combustion ou par le bavardage des valves, peuvent se traduire par des vibrations et des jitters. La conception moderne du moteur et les systèmes d'amortissement actifs contribuent à atténuer ces perturbations. Par exemple, le moteur BE‐3 de Blue Origin, qui brûle de l'hydrogène liquide et de l'oxygène liquide, est connu pour sa combustion propre et sa réponse aux gaz lisses. La structure du véhicule lui-même agit comme un filtre à passe basse, réduisant les vibrations à haute fréquence.

Progrès technologiques dans la gestion des poussées

L'industrie suborbitale a bénéficié de décennies de développement de fusées, mais les récentes innovations ont spécifiquement abordé les défis du vol de passagers.

Thrust variable et throttling

Les moteurs modernes, tels que le BE‐3 et le SpaceX=S Merlin (utilisés sur des lanceurs orbitaux mais avec une technologie de throttling qui se décroît), peuvent actionner continuellement de 20 % à 100 % de la poussée nominale. Cette capacité permet à un véhicule suborbital de cibler un profil d'accélération spécifique tout au long de la combustion. Par exemple, le nouveau Shepard=S les gaz moteur reculent pendant les dernières secondes de vol pour maintenir les forces G à 3,5 G ou moins. La précision provient de valves à commande électronique et de boucles de rétroaction sophistiquées qui règlent le débit du propulseur en temps réel.

Conception de la buse pour la compensation d'altitude

Les buses de fusées sont optimisées pour la pression ambiante à laquelle elles fonctionnent. Les buses conçues pour le niveau de la mer sont surchargées à haute altitude, ce qui entraîne une séparation du débit interne et une perte d'efficacité. Inversement, une buse optimisée pour l'altitude est sous-exploitée à basse altitude, produisant moins de poussée. Pour un véhicule suborbital qui fonctionne à une large plage d'altitude, une buse fixe représente un compromis. Les progrès récents dans la conception de buses, comme l'utilisation d'une buse ou d'un aerospike, peuvent fournir une compensation d'altitude en permettant à l'échappement de régler son taux d'expansion efficace.

Moteurs à rocket réutilisables et longévité

Les véhicules suborbitaux, par leur conception, sont conçus pour être utilisés à plusieurs reprises. La réutilisabilité du moteur exige des chambres de poussée robustes, des turbopompes et des ensembles de buses qui peuvent résister à des cycles thermiques et mécaniques répétés. Origine bleue Le nouveau booster Shepard a effectué des dizaines de fois des vols avec le même moteur. Les intervalles d'entretien sont rallongés par des matériaux de pointe tels que des liners de chambre en alliage de cuivre avec des canaux de refroidissement fraisés et par l'utilisation de l'hydrogène comme liquide de refroidissement (refroidissement régénératif).

L'avenir de la throuille suborbitale

Le marché suborbital est en voie de croissance, avec des entreprises explorant de nouveaux types de missions au-delà du tourisme point à point : recherche sur la microgravité, déploiement de petits satellites (par trajectoires suborbitales) et transport rapide de marchandises.

Moteurs à roulettes hybrides

Les fusées hybrides, qui utilisent un combustible solide et un oxydant liquide, offrent un terrain intermédiaire entre simplicité et maîtrise. Virgin Galactic , SpaceShipDeux utilise un moteur hybride (combustible à polybutadiène et oxydant à oxyde nitreux).Ces moteurs peuvent être étriqués et coupés facilement, et ils sont plus sûrs de manipuler que les systèmes entièrement solides ou liquides. Cependant, ils ont généralement une impulsion spécifique inférieure à celle des bipropulseurs liquides.

Propulsion électrique et thrustres plasma

Alors que la propulsion électrique (propulseurs à ions, propulseurs à effet Hall) est principalement associée aux missions orbitales et dans l'espace profond, certains chercheurs ont proposé d'utiliser des propulseurs électriques de grande puissance pour les vols suborbitaux qui n'exigent pas les mêmes niveaux de poussée que les fusées chimiques. La limite clé est le très faible rapport poussée-poids-propulseurs électriques produisent seulement de nouvelles tonnes de force, et non des kilonewtons.

Contrôle de trajectoire adaptative

À court terme, les améliorations les plus importantes proviendront des logiciels et des algorithmes de contrôle. Grâce aux données de capteurs en temps réel (accéléromètres, GPS, pression du moteur), les ordinateurs de vol peuvent ajuster la poussée en microsecondes pour compenser les vents, les incertitudes de masse du véhicule ou les variations de performance du moteur.

Conclusion

La poussée sous-tend tous les aspects de l'expérience de vol suborbitale. C'est la force fondamentale qui fait sortir les passagers du sol, définit leur exposition à l'accélération et régit la durée et la qualité de l'apesanteur. Grâce à une ingénierie minutieuse des moteurs de fusée, des profils de buse, des commandes d'accélérateurs et des structures de véhicules, les opérateurs suborbitaux ont réalisé des parcours à la fois sûrs et convaincants.

Ressources extérieures:[
• NASA – Glossaire de la poussée de fusée
• Origine bleue – Nouveau moteur Shepard[
• Virgin Galactic – Aperçu de la technologie[
]]• EspaceX – Moteur de glissière (référence de thorottling)
]• NASA – Sommaire de la poussée de fusée)]