Une fusée porte le nom d'une bobine de couture. Le mot vient de l'italien rocchetto, qui signifie bobine, car les premières versions ressemblaient aux bobines en forme de fuseau utilisées pour enrouler le fil. C'est une histoire d'origine étrange pour une machine qui a fini par transporter des humains au-delà de l'atmosphère.
Au cœur, une fusée est simple : un véhicule allongé qui brûle le carburant qu'il porte avec lui pour accélérer, sans avoir besoin d'air ambiant. Cette seule décision de conception est ce qui sépare une fusée d'un moteur à réaction, et c'est la raison pour laquelle les fusées peuvent voler là où les moteurs à réaction ne peuvent pas : à travers le vide de l'espace, où un moteur de fusée fonctionne en réalité mieux qu'au niveau de la mer.
L'histoire de la fusée s'étend bien au-delà de l'ère spatiale. Elle s'étend à travers les arsenaux chinois, les champs de bataille indiens, les cabanes en rondins russes et les bunkers de missiles allemands avant de quitter intentionnellement l'atmosphère. Voici comment un feu d'artifice en forme de bobine est devenu un vaisseau spatial.
Pas un Moteur à Réaction Avec une Meilleure Équipe de Marketing
Les moteurs à réaction respirent. Ils aspirent l'oxygène de l'air ambiant et le mélangent avec le carburant pour brûler. Une fusée, en revanche, emballe à la fois le carburant et le comburant dans son propre corps, elle n'a donc jamais besoin d'inhaler quoi que ce soit. Cette seule différence est ce qui permet à une fusée de voler à travers le vide de l'espace, où il n'y a pas d'air à respirer.
La partie contre-intuitive est ce qui se passe au rendement une fois que l'air disparaît. Les moteurs de fusées ne tolèrent pas seulement le vide, ils fonctionnent en réalité plus efficacement là-bas que dans l'atmosphère. Tout ce qui est conçu pour bien fonctionner au sol s'avère fonctionner encore mieux une fois qu'il la quitte, ce qui est l'inverse de presque tout autre type de moteur que les humains ont construit.
Né en Chine au 13e Siècle
Les fusées construites pour la guerre et la célébration remontent au moins au 13e siècle en Chine, ce qui fait de la fusée l'une des armes les plus anciennes encore activement utilisées aujourd'hui, juste dirigées vers quelque chose de bien plus ambitieux maintenant. Selon l'historien Joseph Needham, la marine de la dynastie Song avait déjà des fusées assez organisées pour les utiliser dans un exercice militaire documenté en 1245.
Cette date est importante car cela signifie que les fusées à poudre à canon étaient une partie établie de l'arsenal militaire d'un État des siècles avant que l'Europe n'en ait un équivalent, avec leur origine en tant qu'outil naval et de champ de bataille solidement ancrée en Chine Song.
Le Dragon qui Tirait de l'Eau
Les fusées modernes volent presque toujours par étages, rejetant les réservoirs de carburant vides alors qu'elles montent pour que le véhicule devient plus léger et plus rapide. Cette idée n'est pas une invention du 20e siècle. Un manuel militaire chinois du 14e siècle appelé Huolongjing décrit un dispositif appelé "dragon de feu émergeant de l'eau", qui est la plus ancienne fusée multitages connue, construite pour être utilisée par la marine chinoise.
Le seul nom suggère la logique de la conception : une fusée censée sembler être sortie de l'eau, utilisant une étage pour commencer à bouger et une deuxième pour continuer, la même logique par étages que chaque fusée multitages construite depuis a suivie d'une manière ou d'une autre.
Boîtiers en Fer d'un Royaume Indien
Pendant des siècles après les premières fusées chinoises, la plupart des corps de fusées étaient faits de papier ou de métal mince qui pouvait éclater sous la pression. Cela a changé à la fin du 18e siècle, lorsque le Royaume de Mysore, sous le règne de Hyder Ali, a construit les fusées Mysorean, les premières fusées à boîtier en fer réussies de l'histoire.
Un boîtier en fer a permis à une fusée de supporter une pression interne plus élevée sans défaillir, ce qui signifiait plus de poussée et plus de portée. Quand le concept a atteint plus tard la Grande-Bretagne, il a inspiré le programme de fusées Congreve, dont le plus grand modèle, l'Obus de 32 livres, portait un bâton de 15 pieds de long juste pour le garder en vol. Une innovation du champ de bataille indien était devenue, en une génération, une caractéristique de l'artillerie européenne.
Une Idée Grecque Deux Mille Ans Trop Tôt
Le dispositif le plus ancien connu pour démontrer les principes fondamentaux du vol des fusées n'était pas une arme du tout. Vers 400 avant J.-C., le pythagoricien grec Archytas a construit un oiseau en bois, l'a suspendu sur des fils et l'a propulsé le long de ceux-ci en utilisant la vapeur comme force motrice.
Cela n'a pas du tout approché l'espace, et personne n'a construit sur l'idée pendant très longtemps. Mais le principe sous-jacent, expulser un jet de gaz dans une direction pousse un objet dans l'autre, est exactement ce sur quoi chaque moteur de fusée chimique repose encore aujourd'hui. Archytas y est arrivé bien avant que quelqu'un n'ait la poudre à canon pour l'essayer.
L'Homme qui a Conçu le Vol Spatial sur Papier
Bien avant que toute fusée quitte l'atmosphère, un instituteur en Russie provinciale a élaboré les mathématiques de la façon dont l'une pourrait finalement le faire. Konstantin Tsiolkovsky est considéré comme le père du vol spatial, et il a également été la première personne à concevoir l'ascenseur spatial, une idée à laquelle il est arrivé en 1895 après avoir vu la tour Eiffel nouvellement construite.
Son article le plus important, sur l'exploration de l'espace avec des dispositifs alimentés par fusée, a été publié en mai 1903, des décennies avant que tout gouvernement n'ait l'ingénierie ou l'argent pour tester ses équations. Il a élaboré la physique de la fusée orbitale en utilisant peu plus qu'un tableau blanc, dans un pays qui ne lancerait rien en orbite pendant un demi-siècle de plus.
Une Arme qui a Atteint l'Espace par Accident
La première fusée à quitter intentionnellement l'atmosphère était conçue pour détruire des villes, non pour les explorer. Le lancement du vol d'essai MW 18014 le 20 juin 1944, le V-2 a traversé la ligne de Kármán et est devenu le premier objet fabriqué par l'homme à jamais atteindre l'espace.
Cette étape s'est produite au milieu d'une campagne de bombardement. À partir de septembre, la Wehrmacht a tiré plus de 3 000 de ces missiles sur les villes alliées, frappant d'abord Londres, puis Anvers et Liège. La même ingénierie qui a d'abord touché l'espace était, à l'époque, un outil de terreur, un rappel sinistre que les voies militaires et scientifiques de la fusée n'ont jamais été complètement séparées.
Pourquoi les Fusées Viennent par Étages
L'étagement n'est pas juste une curiosité historique du Huolongjing, c'est toujours le principe de travail derrière l'atteinte de l'orbite. Entre 1948 et 1950, les ingénieurs ont testé la série RTV-G-4 Bumper à White Sands, puis plus tard à Cape Canaveral, construisant les premières fusées multitages haute vitesse de l'ère moderne. L'un d'eux a atteint une altitude de 393 kilomètres au-dessus de White Sands le 24 février 1949, la plus grande hauteur qu'aucune fusée n'avait jamais atteinte là-bas.
La physique derrière l'étagement est simple : faire tomber du poids mort à mi-vol permet aux moteurs restants d'accélérer un véhicule plus léger. Le premier étage de la Saturn V, par exemple, devait soulever la masse totale de tout ce qui était au-dessus, et a quand même atteint un rapport de masse d'environ 10 et un impulsion spécifique de 263 secondes, des chiffres qui montrent pourquoi les ingénieurs continueront de chercher l'étage le plus léger possible qui tienne encore ensemble.
Extraire Chaque Joule de l'Échappement
La structure sèche d'un moteur de fusée, tout ce qui reste une fois que le propergol est épuisé, n'est souvent que 5 à 20% de la masse de lancement totale du véhicule. Ce matériel minuscule, non le carburant qu'il transporte, est ce qui finit par dominer le coût d'un programme de fusée, car construire des réservoirs et des moteurs à la fois légers et forts est bien plus difficile que les remplir de propergol.
Tirer le meilleur de ce matériel revient à la tuyère. Les tuyères de fusée utilisent des formes quasi-adiabatiques à haut rapport d'expansion qui refroidissent et accélèrent les gaz d'échappement, atteignant une efficacité énergétique jusqu'à 70%. Le choix du carburant compte également : l'hydrogène et l'oxygène ensemble offrent l'impulsion spécifique la plus élevée de toute combinaison de propergol chimique en usage, mais la densité de l'hydrogène n'est qu'environ un quatorzième de celle de l'eau, donc les moteurs qui le brûlent ont besoin de turbopompes plus grandes et plus lourdes qui réduisent le rapport poussée-poids, un compromis visible lorsqu'on compare un moteur comme l'RS-25 à une conception alimentée plus dense comme l'NK-33.
Aucun de ces compromis n'a disparu au cours d'un siècle de technologie des fusées. Chaque lancement est toujours une négociation entre le poids mort qu'un véhicule peut abandonner, l'efficacité de sa tuyère à façonner l'échappement et la densité du carburant qu'il ose brûler, les mêmes compromis qu'un officier d'arsenal chinois et un instituteur russe faisaient déjà le tour bien avant que l'un d'eux n'ait un nom en anglais.