Comment fonctionnent les fusées dans le vide spatial ?

Cher Dope droit:

Ma compréhension de l’espace est qu’il s’agit d’un vide, c’est-à-dire dépourvu d’à peu près toute la matière, juste de l’espace vide. Aussi de ma connaissance étonnamment limitée de la physique, je comprends que pour qu’une force crée un mouvement, elle doit agir sur quelque chose. Donc, si un vaisseau spatial tire ses fusées dans l’espace, dans le vide, sur quoi agit cette force? S’il n’y a rien là-bas, contre quoi les roquettes poussent-elles pour faire bouger le navire? Juste quelque chose auquel je pensais parce que j’ai beaucoup trop de temps libre, votre sagesse infinie serait très appréciée.

Coulter, UCLA

SDStaff Karen répond:

Ne prenez pas cela personnellement, Coulter, mais vous n’êtes pas un scientifique de fusée.

Vous n’êtes pas non plus la première personne qui n’a pas réussi à atteindre le Zen avec la Troisième Loi de Newton. De retour dans les années 1920, lorsque Robert Goddard était père de rocketry, un éditorial du New York Times le disloqua ainsi: « Ce professeur Goddard, avec sa « chaire » au Clark College et le soutien de la Smithsonian Institution, ne connaît pas le rapport de l’action à la réaction, ni la nécessité d’avoir quelque chose de mieux qu’un vide contre lequel réagir — dire cela serait absurde. Bien sûr, il ne semble manquer que des connaissances déversées quotidiennement dans les lycées. »À propos de ce que vous attendez d’un journal quotidien.

La vérité est que la fusée a quelque chose à repousser: à savoir son propre carburant. Illustrons avec un exemple que les enfants peuvent essayer à la maison. Tout d’abord, vous devez vous mettre dans une sorte de situation sans friction. Porter des patins à glace sur une patinoire glissante serait bien, ou peut-être que votre bureau a une chaise qui roule très bien sur une surface dure. Ensuite, vous aurez besoin d’un ballon de médecine. Vous êtes la fusée et la boule de médecine est votre carburant. Lance la boule de médecine. Vous remarquerez que lorsque vous poussez la balle de médecine vers l’avant, vous reculez vous-même. Ta-da, le miracle de la physique ! (Si vous pensez que c’est parce que le ballon de médecine a poussé en l’air, essayez l’expérience sans le ballon de médecine — poussez simplement en l’air avec vos mains, voyez jusqu’où vous reculez.)

La Troisième Loi de Newton est généralement exprimée comme suit: « Pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée », et vous pouvez également la considérer comme « Les forces viennent toujours par paires. »Pendant que vous poussez sur la boule de médecine, la Troisième Loi de Newton dit que la boule de médecine pousse également sur vous. Ainsi, vous êtes accéléré par la force agissant (en arrière) sur vous par la boule de médecine. Peu importe que ce soit vous qui avez décidé de commencer la poussée en premier lieu; vous ne pouvez pas pousser sur le ballon sans que le ballon soit repoussé. Les forces viennent toujours par paires.

Bien sûr, les fusées fonctionnent sur des principes plus sophistiqués que de simplement jeter du carburant par l’arrière. Tout d’abord, le carburant est brûlé et ses gaz d’échappement chauds sont expulsés à très grande vitesse (si vous lancez la boule de médecine plus rapidement, votre corps subit une plus grande force arrière). Et la buse d’échappement de la fusée a un rétrécissement de manière à évacuer les gaz d’échappement encore plus rapidement, comme mettre votre pouce sur l’extrémité d’un tuyau d’arrosage. Les gaz d’échappement de la propulsion chimique (c’est-à-dire la propulsion à combustion de carburant) sont généralement expulsés à 2 km / s (= 4500 mi / h), et la masse moyenne de votre fusée au lancement est de 80 à 85% de propergol (carburant + comburant), dont la plupart finissent par être expulsés.

Ainsi, par exemple, une fusée Delta II peut envoyer une charge utile de 1800 kg en orbite géosynchrone, en utilisant environ 200 000 kg de propergol. La fusée totale au lancement aurait une masse d’environ 232 000 kg. C’est beaucoup de carburant! En effet, 2 km / s (= 4500 mph) est considéré comme une vitesse « basse” dans le monde des fusées, vous devez donc atteindre la poussée en déversant beaucoup de masse. Si vous pouviez éjecter quelque chose encore plus rapidement à l’arrière de la fusée, vous pourriez obtenir plus de poussée avec moins de carburant, et donc envoyer des charges utiles plus lourdes.

C’est là que la propulsion électrique réussit. La propulsion électrostatique, également appelée propulsion ionique, utilise ce qui équivaut à un petit accélérateur de particules pour pousser les particules de carburant à l’arrière d’une fusée, fournissant des vitesses d’échappement de 100 km / s (= 220 000 mph). Le véhicule d’essai de technologie avancée de la NASA, Deep Space 1, utilise avec succès la propulsion ionique depuis son lancement en octobre 1998. Elle se trouve actuellement à 333 millions de km de la terre, se précipitant vers un rendez-vous avec la comète Borrelly en septembre 2001. Certains travaux ont également été effectués avec la propulsion électromagnétique, également appelée propulsion par plasma, où l’interaction des ions plasma avec un champ magnétique les accélère à l’arrière de la fusée. Et puis il y a la propulsion magnétoplasmadynamique, où une force d’accélération est appliquée directement sur un plasma neutre.

Vous pouvez donc voir que la science des fusées n’est pas vraiment si difficile. La question que vous devriez vous poser est la suivante: Comment fonctionne un entraînement de chaîne anti-matière alimenté au dilithium? Je n’ai aucune idée, mais je suis sûr qu’il y a beaucoup de geeks sur les babillards électroniques qui seraient prêts à l’expliquer. En Klingon.

SDStaff Karen, Straight Dope Science Advisory Board

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