Comment les fusées atterrissent-elles sur Terre ? La technologie incroyable impliquée

L’océan est un cimetière de fusées. Les débris de milliers de fusées, de satellites et de navettes incendiés jonchent le fond de l’océan. La réutilisation des fusées signifie moins de déchets, moins de coûts et la possibilité de revenir d’une destination beaucoup plus facilement.

Voir des engins spatiaux atterrir et redécoller facilement est quelque chose que nous avons vu des milliers de fois dans les films. Maintenant, nous le voyons aussi dans la vraie vie. SpaceX a maintenant lancé et atterri avec succès plus de 50 fusées depuis qu’ils ont commencé à essayer en 2015.

Alors, comment les fusées peuvent-elles atterrir sur Terre ? Cet article couvrira l’incroyable technologie qui se cache derrière les fusées réutilisables.

Les défis de l’atterrissage des fusées

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Il y a plusieurs défis avec les fusées d’atterrissage, même lorsqu’elles ne sont que partiellement réutilisables.

• Le carburant : Pour s’échapper de l’atmosphère terrestre, une fusée doit atteindre une vitesse incroyable de 17 500 milles à l’heure, autrement connue sous le nom de vitesse de fuite. Cela nécessite une quantité colossale de carburant. Le carburant est généralement de l’oxygène liquide incroyablement coûteux. Pour faire atterrir une fusée avec succès, du carburant est nécessaire en réserve.
• Protection thermique : Pour une véritable réutilisation, la fusée entière doit être équipée d’une protection thermique, quelque chose qui n’est généralement laissé que pour la partie qui retombera sur Terre. Cela empêche que des parties de la fusée soient endommagées ou détruites lors de la rentrée dans l’atmosphère terrestre. C’est également vrai pour les fusées dirigées vers Mars.
• Train d’atterrissage : La fusée nécessite également un train d’atterrissage. Celui-ci doit être rendu aussi léger que possible tout en conservant la force nécessaire pour supporter la fusée massive (le Falcon 9, l’une des fusées de SpaceX, pèse 550 tonnes).
• Poids : Plus un vaisseau spatial est lourd, plus il a besoin de carburant et plus la rentrée sera difficile. Les réservoirs de carburant vides ajoutent de la traînée et du poids à la fusée, c’est pourquoi les réservoirs de carburant sont généralement largués et autorisés à brûler dans l’atmosphère. De plus, la protection thermique et le train d’atterrissage ajouteront tous deux un poids important.

Comme nous l’avons mentionné, SpaceX a réussi cet exploit incroyable à plusieurs reprises maintenant. Alors, quelle est la technologie étonnante derrière les fusées réutilisables ?

impression en 3D

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L’impression 3D révolutionne les industries à travers le monde, notamment la technologie derrière les fusées. En fait, certaines fusées sont maintenant presque entièrement imprimées en 3D.

L’un des avantages de l’impression 3D est que les ingénieurs peuvent produire globalement moins de pièces. Les pièces imprimées peuvent être beaucoup plus complexes et ne nécessitent pas d’outils de fabrication coûteux et uniques pour chaque pièce. Cela réduit le coût de construction des fusées et augmente l’efficacité du processus de fabrication.

L’impression 3D des réservoirs de carburant signifie que vous n’avez pas besoin de coutures dans le métal, un point faible typique qui peut causer des problèmes dans les fusées. Un autre avantage majeur de l’impression 3D est la possibilité de produire des pièces optiques à partir de matériaux légers, réduisant ainsi le poids global des fusées.

Rétropropulsion et Guidage

Pour qu’une fusée atterrisse, la poussée rétrograde doit être supérieure au poids de la fusée. Il doit également être vectorisé, ce qui signifie que la poussée est directionnelle et peut être utilisée pour stabiliser la descente de la fusée.

Pour que la rétropropulsion stabilise la fusée, elle doit disposer d’informations très précises sur la position, l’altitude et l’angle de la fusée. Cela nécessite des systèmes de haute technologie qui fournissent des mesures précises en temps réel avec un retour direct aux propulseurs. Ceux-ci sont appelés systèmes de contrôle de réaction (RCS).

Systèmes de contrôle de réaction

Un RCS fournit de petites quantités de poussée dans plusieurs directions pour contrôler l’altitude et la rotation de la fusée. Considérez le fait que la rotation peut inclure le roulis, le tangage et le lacet, et que le RCS devra empêcher tout cela simultanément tout en contrôlant la descente de la fusée.

Le RCS utilise plusieurs propulseurs positionnés dans une configuration optimale autour de la fusée. Le principal défi avec les propulseurs est de s’assurer que le carburant est conservé.

Un exemple est le système de fusée Merlin de SpaceX. Il s’agit d’une suite de 10 moteurs distincts contrôlés par un système de contrôle à triple redondance. Chacun des 10 moteurs a une unité de traitement, et chaque unité de traitement utilise trois ordinateurs qui se surveillent en permanence pour réduire considérablement les risques d’erreurs.

Le moteur Merlin utilise du RP-1 (kérosène hautement raffiné) et de l’oxygène liquide comme propulseurs. La version la plus récente du moteur peut accélérer (contrôler la quantité de puissance qu’il utilise) jusqu’à 39% de sa poussée maximale, ce qui est essentiel pour un contrôle de haut niveau lors de l’atterrissage de la fusée.

Grille Ailerons

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Les ailerons de grille sont utilisés pour guider les fusées réutilisables telles que le Falcon 9 vers leur position d’atterrissage. Inventées dans les années 50, les ailettes grillagées ont été utilisées dans plusieurs missiles.

Les ailettes de la grille ont l’apparence de presse-purée qui sortent à un angle perpendiculaire de la fusée. Ils sont utilisés car ils permettent un haut niveau de contrôle sur le vol des fusées à des vitesses hypersoniques et supersoniques. En revanche, les ailes traditionnelles provoquent des ondes de choc et augmentent la traînée à ces vitesses beaucoup plus élevées.

Parce que les ailerons de grille permettent le flux d’air à travers l’aileron lui-même, il a beaucoup moins de traînée, tandis que la fusée peut être tournée ou stabilisée en faisant tourner ou en tangage l’aileron comme une aile, mais plus efficacement.

Une autre raison pour laquelle les amendes de grille sont utilisées est que, avec les fusées réutilisables, elles volent techniquement en arrière lorsqu’elles atterrissent. Cela signifie que les extrémités avant et arrière de la fusée doivent être assez similaires pour pouvoir être contrôlées dans les deux sens.

Train d’atterrissage

Évidemment, une fusée réutilisable va avoir besoin d’une sorte de train d’atterrissage. Ceux-ci doivent être suffisamment légers pour ne pas augmenter considérablement la quantité de carburant nécessaire au vol et à la rentrée, mais également suffisamment solides pour supporter le poids de la fusée.

Actuellement, les fusées SpaceX utilisent 4 jambes d’atterrissage qui sont repliées contre le corps de la fusée pendant le vol. Ceux-ci se déplient ensuite par gravité avant l’atterrissage.

Mais, Elon Musk a déclaré en janvier 2021 que pour la plus grande fusée de SpaceX, le booster Super Heavy, ils viseraient à « attraper » la fusée à l’aide du bras de la tour de lancement. Cela réduira le poids de la fusée car elle n’aura plus besoin de jambes d’atterrissage.

L’atterrissage dans la tour de lancement signifie également que la fusée n’aura pas besoin d’être transportée pour être réutilisée. Au lieu de cela, il devra simplement être réaménagé et alimenté là où il se trouve.

Ce n’est pas tout

Les fusées décollent et volent dans l’espace depuis des décennies, mais les faire revenir en toute sécurité sur Terre pour les réutiliser a nécessité de nombreuses percées technologiques.

Nous n’avons pas pu couvrir toute la technologie étonnante utilisée dans les fusées qui peuvent atterrir sur Terre, mais nous espérons que vous avez appris quelque chose de nouveau dans cet article ! La technologie des vols spatiaux se développe rapidement et il est passionnant d’envisager ce qui pourrait être possible dans quelques années.