Comment une fusée quitte-t-elle la Terre ?

Action, réaction : le coup du ballon de baudruche

Gonflez un ballon et lâchez-le sans le nouer. L’air s’échappe d’un côté, le ballon file de l’autre, avec un bruit peu flatteur. Une fusée fait exactement la même chose, en plus cher et en beaucoup plus bruyant.

Ses moteurs éjectent des gaz brûlants vers le bas, souvent à plus de 10 000 km/h. En retour, la fusée est poussée vers le haut. C’est le principe d’action-réaction, formulé par Isaac Newton en 1687 : toute action entraîne une réaction égale et opposée.

Seule condition pour décoller : que cette poussée soit supérieure au poids de la fusée. Sinon, elle reste sur son pas de tir en faisant beaucoup de fumée, et tout le monde est un peu gêné.

L’idée reçue à oublier

Non, la fusée ne « s’appuie » ni sur le sol ni sur l’air. Elle avance parce qu’elle jette de la matière derrière elle. Asseyez-vous sur une chaise à roulettes et lancez un gros sac devant vous : vous partez en arrière. Pas besoin de mur.

C’est pour cela qu’un moteur-fusée fonctionne dans le vide, et même mieux qu’au sol, puisqu’il n’y a plus d’air pour freiner.

Petit détail qui change tout : sans air, pas d’oxygène, donc rien ne brûle. La fusée emporte donc aussi son propre oxygène. Une voiture respire l’air ambiant ; une fusée voyage avec sa bouteille.

Monter, c’est bien. Aller vite, c’est mieux

L’espace n’est pas loin : il commence à environ 100 km d’altitude. Si votre voiture roulait à la verticale, vous y seriez en une heure. Le vrai problème n’est pas d’y aller, c’est d’y rester.

Montez tout droit à 100 km, coupez les moteurs, et vous retombez aussitôt. La gravité, elle, n’a pas pris de vacances.

L’astuce : tomber en ratant le sol

Imaginez un canon au sommet d’une montagne. Tirez un boulet : il retombe un peu plus loin. Tirez plus fort : il retombe encore plus loin. Tirez vraiment très fort, et comme la Terre est ronde, le sol se dérobe sous le boulet aussi vite qu’il tombe.

Il tombe en permanence, mais il rate la Terre à chaque fois. C’est exactement cela, une orbite.

Pour y parvenir en orbite basse, il faut atteindre environ 7,8 km/s, soit plus de 28 000 km/h. À cette allure, Paris–Marseille prend moins d’une minute et demie, sans péage.

Voilà pourquoi une fusée s’incline peu après le décollage. L’essentiel de son effort ne sert pas à prendre de l’altitude, mais à gagner de la vitesse à l’horizontale.

Et les astronautes qui flottent ?

À 400 km d’altitude, là où tourne la Station spatiale internationale, la gravité vaut encore environ 90 % de celle du sol. Les astronautes ne flottent pas par absence de gravité : ils tombent en continu, en même temps que leur station. Ils font ainsi le tour de la Terre en une heure et demie environ.

Pour partir pour de bon

Rester en orbite ne suffit pas pour viser la Lune ou Mars. Pour échapper complètement à l’attraction terrestre, il faut dépasser 11,2 km/s, plus de 40 000 km/h. On appelle cela la vitesse de libération.

Le coup de pouce gratuit

La Terre tourne vers l’est, à environ 1 670 km/h au niveau de l’équateur. En décollant vers l’est depuis une base proche de l’équateur, la fusée récupère cet élan sans dépenser une goutte de carburant. C’est l’une des raisons pour lesquelles l’Europe lance ses fusées depuis Kourou, en Guyane.

Le drame de la fusée : elle transporte surtout du carburant

Pour atteindre de telles vitesses, il faut brûler énormément de carburant. Mais ce carburant pèse lourd. Il faut donc du carburant pour soulever le carburant, puis encore du carburant pour soulever celui-là. Vous voyez le problème.

Résultat : au décollage, environ 90 % de la masse d’une fusée est constituée de carburant et d’oxygène, ce que les ingénieurs appellent les ergols. Le reste, ce sont les réservoirs, les moteurs et la structure.

Et la charge utile, c’est-à-dire le satellite ou la capsule que l’on veut réellement envoyer là-haut ? Souvent 1 à 4 % du total. C’est un peu comme affréter un camion-citerne pour livrer une pizza.

Autre image : une canette de soda, c’est environ 95 % de boisson pour 5 % d’aluminium. Une fusée, c’est presque la même chose, sauf que la boisson s’enflamme.

Des étages qu’on largue en route

La solution des ingénieurs est d’une élégance toute simple : jeter ce qui ne sert plus. Une fusée est en réalité un empilement de plusieurs fusées, les étages, chacun avec ses réservoirs et ses moteurs.

Le premier étage, le plus gros, assure le décollage et se vide en deux à trois minutes. Une fois à sec, il se détache. Le deuxième s’allume alors et n’a plus qu’à pousser un engin bien plus léger.

C’est le principe du randonneur qui abandonnerait ses gourdes vides au fil du chemin, et le sac qui va avec. (En randonnée, merci de ne pas le faire.)

Le premier étage qui revient se poser

Pendant des décennies, les étages largués finissaient au fond de l’océan. Imaginez qu’on jette un avion de ligne après chaque vol : les billets seraient un peu chers.

Depuis 2015, certains lanceurs font revenir leur premier étage, à commencer par la Falcon 9 de SpaceX. Après la séparation, l’étage se retourne, rallume ses moteurs pour freiner et se pose à la verticale, sur une barge en mer ou près de son pas de tir. Il est ensuite remis en état et revole.

L’objectif est clair : faire baisser le prix du ticket pour l’espace.

Un décollage, minute par minute

Du pas de tir à l’orbite, il s’écoule moins de dix minutes. Les durées ci-dessous sont des ordres de grandeur, elles varient d’un lanceur à l’autre.

1. Allumage. La poussée dépasse le poids et la fusée s’élève. Lentement au début : elle n’a jamais été aussi lourde.
2. Premières secondes. Elle commence à s’incliner. La course à la vitesse horizontale est lancée.
3. Vers 1 minute. Elle franchit le mur du son, puis traverse la zone où l’air appuie le plus fort sur sa structure. C’est le moment où tout le monde retient son souffle en salle de contrôle.
4. Vers 2 à 3 minutes. Le premier étage, vide, est largué. Le deuxième prend le relais.
5. Peu après. Au-dessus de 100 km, il n’y a presque plus d’air. La coiffe, ce capot qui protégeait le satellite, est larguée à son tour.
6. Vers 8 à 10 minutes. La vitesse orbitale est atteinte, le moteur s’éteint. La charge utile est en orbite.

Soit à peu près le temps de cuire des pâtes.

Les chiffres à retenir

Repère	Valeur
Début de l’espace	environ 100 km d’altitude
Vitesse pour rester en orbite basse	7,8 km/s, soit plus de 28 000 km/h
Vitesse pour échapper à la Terre	11,2 km/s, soit plus de 40 000 km/h
Part de carburant et d’oxygène au décollage	environ 90 % de la masse
Part de la charge utile	souvent 1 à 4 % de la masse
Durée d’une mise en orbite	8 à 10 minutes

En résumé, une fusée, c’est énormément de carburant qui pousse un peu moins de carburant, pour mettre en orbite un tout petit quelque chose qui passera son temps à tomber en ratant la Terre. Et le plus beau, c’est que ça marche.