Des fusées à réaction

Il existe deux sortes d'appareils capables de se déplacer dans l'atmosphère :

• Les plus légers que l'air, apparus en 1783 avec les ballons à air chaud des frères Montgolfier et les ballons à gaz de Charles et Robert. C'est le 4 juin 1783, après plusieurs essais concluants conduits depuis la fin de 1782, que les frères Joseph et Etienne Montgolfier réalisèrent la première expérience à l'aide d'un "globe" gonflé à l'air chaud. Ce premier ballon, non monté, s'éleva jusqu'à une hauteur de 1000 mètres.

Le 19 septembre 1783, à la demande du roi Louis XVI , Etienne renouvelle l'expérience devant la Cour réunie à Versailles. Les premiers passagers sont un mouton, un coq et un canard

.

Mais c'est au physicien Jean-François Pilâtre de Rozier et à François, marquis d'Arlandes, que reviennent l'honneur et l'audace d'avoir effectué le premier voyage aérien à bord d'une montgolfière. C'est le 21 novembre 1783 qu'a lieu à Paris le premier vol humain. Etienne construit une "montgolfière" contenus dans une enveloppe en soie comportant à sa base une galerie circulaire en osier dans laquelle embarquent les deux premiers aéronautes. Après 20 minutes de vol, ils auront parcouru une dizaine de kilomètres.

Ce premier vol monté d'un ballon à air chaud fut suivi, quelques jours plus tard, le 1er décembre 1783, du premier vol d'un ballon à gaz piloté par le physicien Jacques Charles et par Nicolas Robert. Parti du jardin royal des Tuileries à Paris, le ballon, rempli d'hydrogène effectua un trajet de 36 kilomètres en deux heures. Pour cette première ascension montée d'un ballon à gaz, Charles imagina presque tout le matériel aérostatique actuel : le filet, l'appendice, la soupape, le lest.

- Les plus lourds que l'air, plus généralement appelés avions, mis au point à partir de la fin du XIXe siècle et équipés de moteurs à explosion et d'ailes Vidés Histoire de l’aviation épisode 1 ; épisode 2 ; épisode 3

Mais lorsqu'il s'agit de se déplacer dans l'espace, sans pouvoir bénéficier du pouvoir de portance de l'air, ces engins ne sont plus d'aucune efficacité. Il faut mettre au point une machine capable de fonctionner dans le vide. Il faut traverser l'atmosphère et ça freine à cause de l'air qui frotte et de la gravité de la Terre qui retient les choses. À cause de l'air et de la gravité, on ne peut pas aller dans l'espace en voiture ou en avion. Il faut prendre un véhicule très puissant : UNE FUSEE A REACTION. (Vidéo Comment ça marche une fusée) Une fusée à réaction fonctionne un peu comme un ballon de baudruche. Quand on le gonfle et qu'on le lâche sans l'avoir fermé, il s'envole. L'air sort d'un côté et le ballon part dans l'autre sens, par réaction. C'est le même système pour lancer une fusée. Pour que la fusée décolle, il faut beaucoup de gaz qui sort très vite par de gros moteurs, situés à la base de la fusée. Pour aller encore plus vite, on construit des fusées avec plusieurs étages avec à chaque étage un moteur et une grande quantité de carburant. Quand un étage est vide, il se détache de la fusée. Elle devient alors de plus en plus légère et peut aller de plus en plus vite. La force créée par un moteur fusée s'appelle la poussée, qui s'exprime en Newtons (N).

Pour augmenter la poussée, soit on accélère l'éjection de la matière, soit on éjecte une masse plus importante. Une fusée décolle verticalement si cette poussée est supérieure au poids de la fusée. Selon l'objectif à atteindre, la fusée devra être animée d'une certaine vitesse - 7,9 km/s pour satelliser un objet autour de la Terre : c'est la “première vitesse cosmique” - 11,2 km/s pour échapper à l'attraction de la Terre : c'est la “deuxième vitesse cosmique” ou “vitesse de libération” - 16,6 km/s pour quitter le Système Solaire : c'est la “troisième vitesse cosmique”.

Konstantin Tsiolkovski, instituteur Russe, développe en 1903 la théorie du vol des fusées à étages et propose d'utiliser de l'oxygène et de l'hydrogène liquide pour la propulsion. En 1909, l'Américain Robert Goddard étudie les fusées à carburant et comburant liquides

En 1926, la fusée Kitty-hawk fabriquée dans le Massachusetts parcourt 56 mètres à 96 km/h.

En 1931 la fusée HW-1 de Johannes Winkler atteint l’altitude de 500 mètres

En 1942, durant la 2ème Guerre Mondiale, l'Allemand Wernher Von Braun développe une fusée qui est utilisée comme missile à partir de 1944. Après 1945, ces premiers missiles serviront de base aux Américains et Soviétiques pour les premières fusées spatiales.

Dans la fusée, on met ce qu'on veut emmener dans l'espace : des satellites, des sondes ou des hommes. Une fusée peut propulser un ou deux satellites et les placer en orbite. Les satellites sont importants car ils servent à téléphoner, à utiliser les GPS ou à connaître la météo. La fusée sert aussi à envoyer des sondes spatiales. Les sondes spatiales permettent de mieux comprendre l'histoire de la Terre, sa formation et son origine. Elles sont envoyées sur d'autres planètes pour connaître la température, le type de sol ou la présence d'eau. Une fusée peut également transporter des êtres vivants.

Le premier être vivant dans l'espace fut la chienne Laîka avec Spoutnik 2 en 1958, mais il y a eu aussi des chimpanzés envoyés par les Américains

Puis des hommes font des sorties dans l'espace entre 1965 et 1969, et le 21 juillet 1969, les Américains Neil Armstrong et Buzz Aldrin marchent sur la Lune, avant les Russes, après avoir été propulsés par la fusée Apollo 11.

Les Etats-Unis et la Russie développent aujourd'hui les vols habités pour mettre en orbite des stations où les astronautes peuvent travailler dans l'espace.

Les fusées sont fabriquées dans différents pays : • En Russie : La fusée Soyouz pèse un peu plus de 310 tonnes et mesure 46

mètres de haut. Elle a une capacité de transport de plus de 7 tonnes. Depuis fin 2009, elle est tirée depuis le centre de lancement de Kourou d'Arianespace.

• En Amérique : le « Space Shuttle » permet le lancement des navettes

américaines qui sont des vaisseaux spatiaux réutilisables. La navette est lancée comme une fusée et elle se pose comme un planeur. 5 navettes ont été construites aux Etats-Unis (Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis et Endeavour).

Columbia à l’atterrissage

Challenger

Cockpit de Discovery

• Au Japon : La nouvelle fusée H-2B, haute de près de 57 mètres, peut transporter 16,5 tonnes pour le largage dans l'espace du HTV qui est un véhicule-cargo à usage unique pour apporter des marchandises et équipements sur la station spatiale internationale et récupérer les ordures. C'est une future concurrente de la fusée européenne Ariane.

• En Europe : la fusée Ariane 1, premier modèle fabriqué en 1979, pesait 210 tonnes (l'équivalent d'un gros avion de ligne) et devait être capable de placer 1 850 kg en orbite La nouvelle version, Ariane 5, peut effectuer des missions complètement différentes à des altitudes variables. D'une hauteur de 50,67 m et pesant jusqu'à 790 t, elle a une capacité de transport de 12 tonnes. La dernière version d'Ariane 5 est principalement dédiée à emporter des ATV qui pèsent environ 20 tonnes, destiné à approvisionner l'ISS (Station Spatiale Internationale). Envoyé dans l'atmosphère par Ariane 5, il est ensuite capable de rejoindre seul la station avec une cargaison de vivres, d'eau, d'oxygène, de carburant, et différentes autres fournitures. Il reste ensuite attaché six mois à la station. À l'issue de cette période, il se détache en emmenant les ordures.

Vidéo du CNES la saga des fusées européennes

C'est grâce à un principe énoncé par Isaac Newton au XVIIe siècle que les fusées peuvent voyager dans l'espace : À CHAQUE ACTION CORRESPOND TOUJOURS UNE RÉACTION D’INTENSITÉ ÉGALE ET DE SENS OPPOSÉ.

EXPERIENCE : « La fusée effervescente» Plonger un comprimé effervescent dans le verre et de décrire ce qui se produit : le comprimé coule au fond du verre, des bulles de gaz s'échappent du comprimé, remontent vers la surface puis sautent un peu partout. L'eau a provoqué une réaction chimique qui libère les gaz comprimés dans le cachet. Dans le fond du tube de cachets vide, versez un tout petit peu d'eau (moins d'un centimètre d'eau). Cassez un cachet effervescent en quatre puis plongez un quart de cachet dans le tube. Fermez-le avec son capuchon d'origine. Attendez. Que se passe-t-il ? Au bout de quelques secondes, le capuchon saute ! Les gaz qui se sont libérés du comprimé ont fait augmenter la pression à l'intérieur du tube au point d'éjecter le capuchon. Si cette deuxième expérience est renouvelée à l'envers, le tube de cachets va devenir un projectile similaire à une véritable fusée : lorsque le tube contenant un peu d'eau et un quart de comprimé est fermé avec son capuchon et posé le capuchon vers le sol, c'est le tube qui décolle après quelques secondes de patience ! Décorez le tube en lui rajoutant notamment une coiffe en carton et des ailerons légers et renouvelez l'expérience : vous avez réalisé une fusée à réaction ! AUTRE FUSEE au Coca et Mentos. Il s’agirait, non d’une réaction chimique, mais d’une des substances du bonbon qui permettrait la rupture de la tension de surface de l’eau du soda, libérant très rapidement le gaz. Pour que l’expérience fonctionne le mieux possible, il faut beaucoup de soda (les petites bouteilles n’auront pas un effet spectaculaire). Ce paramètre est plus important que le nombre de pastilles de Mentos (même si la réaction est d’autant plus vive qu’il y a de pastilles). L’expérience fonctionne mieux avec un soda chaud que froid.

On peut utiliser cet effet pour construire une fusée. - Prévoir un système d’introduction des pastilles, sur lequel reposera le

projectile (ici, un cône de papier). Le coller de manière à ce qu’il soit le plus solidaire possible de la bouteille (sinon le geyser fuit…). Il est préférable d’utiliser comme déclencheur un petit pic (pic à brochettes par exemple) qui traverse le tube (ça ne fera que des petits trous dans le tube et ne créera pas de fuite).

- Enlever le déclencheur (ici, un ticket de métro, qui bloque les pastilles qu’on a fait glisser dans le tube), après avoir placé le projectile sur le tube.

- Admirer le vol du projectile. - On peut incliner le lanceur (la bouteille) si on veut effectivement que le

projectile se déplace. MAQUETTE DE LA FUSEE ARIANE 5