Depuis la guerre froide, l’Homme tente de pousser sa force toujours plus loin et jusque dans l’espace. Ainsi c’est en septembre 2020 que l’Armée de l’Air française est devenue l’Armée de l’Air et de l’Espace. Ce changement de nom de notre armée traduit une évidente nécessité de puissance spatiale, donc entre autres à pouvoir produire et utiliser des fusées puissantes et efficaces. Mais la réussite d’une bonne mission spatiale ne se limite pas au lancement de l’objet. Pour qu’un lancement soit réussi, il faut que le lanceur ait une composition matérielle idéale pour l’utilisation qu’on en fera. Nous allons donc nous intéresser à l’intérêt d’utiliser certains matériaux lorsqu’il s’agit d’envoyer un objet dans l’espace.
De bons matériaux assurent une résistance mécanique de la coque nécessaire pendant les phases de lancement, d'atterrissage et de durée dans l’espace. Sans une bonne résistance mécanique, l’objet envoyé dans l’espace se détruirait car il subirait un nombre de g que sa structure ne pourrait supporter, il s’écraserait littéralement sous son propre poids. Ce qu’on appelle “nombre de g” c’est une unité d’accélération de pesanteur. Lorsque vous sautez sur Terre, votre accélération lorsque vous tombez au sol vaut 1 g soit une fois votre poids. En revanche, lorsque vous êtes dans une fusée en plein décollage, l’accélération est telle que vous subissez jusqu’à 4 fois l’unité d’accélération de pesanteur, vous pesez donc 4x votre poids. Le problème avec l’augmentation de votre poids, c’est qu’il faut une structure assez solide pour le retenir, donc si un objet est trop lourd dans une fusée, elle risque de se casser et de perdre l’objet qu’elle doit envoyer dans l’espace.
Lorsqu’un objet se déplace, une partie de son énergie se transmet à ses environs causant un réchauffement de son entourage par les frottements. Quand un objet se déplace, l’air présent au devant de l’objet se comprime entre l’objet et sa trajectoire. En conditions normales, l’air qui se comprime au bout de l’objet peut s'écarter et donc a une énergie négligeable, cependant cela n’est plus vrai quand l’objet se déplace à une vitesse près de mach 5 (donc 5 fois la vitesse du son, soit 14,6 km/s !). L’air comprimé au devant de l’objet devient d’ailleurs la source principale du réchauffement de l’objet. Ce phénomène s’explique par le premier principe de la thermodynamique :
Concrètement, cela veut dire qu’aucune énergie n’est ni créée ni détruite, toutes les énergies appliquées au système sont seulement converties (par exemple, l’énergie mécanique devient de l’énergie thermique). Il faut donc un matériel qui puisse résister à la force pressante mais qui puisse aussi résister à la chaleur évolutive. En effet, lorsque l’air se comprime, sa température augmente du fait de l’énergie cinétique des molécules qui le composent. C’est-à-dire que quand l’air se comprime, les molécules se rapprochent entre elles et ce déplacement leur donne une énergie cinétique. Cette énergie a toujours une partie convertie en chaleur proportionnelle à la quantité d’air comprimé.
En situation courante, la chaleur causée par les frottements ne causent pas de problèmes car l’air a une compression négligeable lorsque l’objet est relativement lent, mais qu’en est-il d’une situation ou la vitesse atteint mach 30 (donc 10,3 km/s) ? Quand une fusée rentre dans l'atmosphère, cette dernière rentre avec une vitesse qui peut atteindre 12 km/s. La chaleur causée par les frottements fait atteindre le vaisseau aux alentours de 1600 degrés Celsius, soit environ 30% de la température à la surface du Soleil (et oui, elle faut environ 5 500°C) ! La fusée a donc besoin de ce qu’on appelle un “bouclier thermique”. Le bouclier thermique est une structure à l'avant de la fusée qui diverge les particules environnantes afin de protéger le cortège des frottements et donc du réchauffement. Compte tenu des informations présentées, les fusées d’aujourd’hui sont principalement faites d’alliage d'aluminium car ce matériau est peu coûteux, léger, maniable et résistant tandis que le bouclier thermique est généralement constitué de titane et de fibres de carbone. Le titane est un matériel très connu pour ses propriétés résistantes alors que le fibre de carbone est connu pour sa résistance surprenante relative à sa petite masse volumique par rapport à d'autres métaux. On note que des ingénieurs de la NASA ont remarqué que la silice est un isolant excellent et très peu coûteux.
Ainsi nous savons à présent quels matériaux utiliser et pourquoi ils sont importants pour envoyer un objet en orbite et pour le renvoyer sur Terre. La vitesse de libération, c’est-à-dire la vitesse minimale qu'à un objet à atteindre pour quitter l’orbite de la Terre, est à 11,2 km/s, soit Mach 32 et pour revenir sur Terre cet objet va subir environ la même vitesse. Le cerveau humain n’est pas capable de se représenter ces vitesses tant elles sont élevées, elles sont extrêmes et c’est pour cette raison que les matériaux composant les fusées et missiles envoyés dans l’espace doivent supporter ces conditions extrêmes.
Une fusée ou un quelconque objet envoyé dans l’espace doit avoir une extrême résistance mécanique et thermique, sans de bons matériaux le risque d’échec de la mission spatiale est bien trop important. C’est pourquoi les matériaux composant la coque des fusées sont généralement de l’alliage d’aluminium et ceux faisant le bouclier thermique sont la fibre de carbone et la silice.
Auteurs du blog : BENIKHLEF Inès, RAMDANI-MEDHURST Milo-Reiss, NLANDU Vangu
Sources :
C'est quoi un bouclier thermique ? Explication en 8 minutes
Le bouclier thermique des navettes spatiales
Vitesse de libération | FranceTerme | Culture
Le Soleil | Agence spatiale canadienne
images :
1 Chaleur et thermométrie - Premier principe de la thermodynamique
2 La NASA veut un meilleur bouclier thermique pour conquérir le système solaire — Siècle Digital
