Dans cette partie nous allons vous présenter les moteurs à propulsion nucléothermique. Nous essayerons de prouver que l'utilisation de moteurs futuristes semble être plus interresante pour un voyage vers Mars.
Dans un premier temps nous expliquerons le fonctionnement de ce moteur, puis nous nous intéresserons à ses caractéristiques, ses performances, ses inconvénients. enfin nous comparerons son efficacité à celle des moteurs cryogéniques.
Dans un premier temps nous expliquerons le fonctionnement de ce moteur, puis nous nous intéresserons à ses caractéristiques, ses performances, ses inconvénients. enfin nous comparerons son efficacité à celle des moteurs cryogéniques.
La propulsion nucléo-thermique est un mode de propulsion des fusées qui utilise un réacteur nucléaire pour chauffer un fluide propulsif, le fluide propulsif est le plus souvent de l’hydrogène.
Afin de présenter la complexité du fonctionnement, nous avons réalisé une maquette.
I-)Le fonctionnement du moteur à propulsion nucléo-thermique.
température initiale T1
Volume initial V1
Température dans cette zone notée T2
Volume V2
Le principe est le suivant de l’hydrogène est pompé par la turbopompe puis réchauffé par le réacteur nucléaire. Un passage au travers d’une tuyère de Laval lui permet enfin de passer le mur du son et de convertir la chaleur en énergie cinétique propre à fournir une poussée très importante.
Pour se rendre compte de la quantité d’hydrogène éjectée il sera intéressant de réaliser un calcul.
On cherche à calculer le débit massique, c’est-à-dire la masse d’H2 pompé à la seconde.
Pour cela, on se propose de prendre comme exemple de moteur à propulsion nucléo-thermique le moteur Nerva de 1961.
La poussée exercée par ce moteur à vide est de 266kN, son impulsion spécifique c’est-à –dire la durée pendant laquelle un kilogramme de propergol produit une poussée de 1 kilogramme-force, c’est-à-dire 9,81 N, est de 800s.
Nous savons que le débit massique d’éjection est donné par :
Dm=La poussée P/La vitesse d’éjection Ve
Nous connaissons la poussée, il faut donc calculer la vitesse d’éjection Ve donnée par :
Ve=Isp*g
Ve= 800*9,81
Ve=7848m/s
Ainsi, Dm=P/Ve
Dm= (266*10³)/7848
Dm=34,0kg/s
Ainsi, la pompe injecte 34,0kg/s d’hydrogène gazeux dans le réacteur.
L’hydrogène passe ensuite dans le réacteur nucléaire qui chauffe le gaz, la température des particules est ainsi fortement augmentée mais ce n’est pas le seul facteur qui varie.
A l’entrée du réacteur la température T1 est basse et la pression P1.
La température et la pression à cette étape ne sont pas si faibles car la turbo pompe à déjà bien travaillée : elle a comprimé le gaz et elle a, dans une certaine mesure diminué son volume. La température a donc augmentée.
A la sortie du réacteur et l’entrée du venturi : la température V2 est très importante donc le produit P2*V2 est aussi très important. La pression étant la même, le volume augmente : il y a dilatation du gaz.
Dans le venturi,
L'effet Venturi, du nom du physicien italien Giovanni Battista Venturi, est le nom donné à un phénomène de la dynamique des fluides où les particules gazeuses ou liquides se retrouvent accélérées à cause d'un rétrécissement de leur zone de circulation.
Le théorème de Bernoulli permet de comprendre ce phénomène : si le débit de fluide est constant et que le diamètre diminue, la vitesse augmente nécessairement il continue de refroidir t. Cette énergie cinétique provient de la chaleur du gaz. Donc la température a baissée et le volume étant constant, la pression vient de baisser.
La vitesse est obligée d’être plus importante.
A la sortie du venturi, si la vitesse du son a été passée dans le venturi, le gaz continu à accélérer, il continu de refroidir afin d’augmenter l’énergie cinétique. La poussée est d’autant plus forte que la vitesse des gaz est importante. Il est donc capital d’apporter le maximum d’énergie au gaz avant le venturi sous forme de chaleur. C’est le rôle du réacteur nucléaire.
Pour donner un ordre de grandeur
Soit Ve=7848m/s
V du son dans l’air=340m/s
Le rapport Ve/vs=23 soit Ve =23*9vs
Les gaz sortent ainsi de la tuyère à 23 fois la vitesse du son
Ainsi en passant de V1 à V2 la pression et la température augmente. Le gaz se dilate mais la pression reste constante.
Le gaz passe ensuite dans le venturi ou tuyère de Laval.
La température diminue ainsi que la pression. Il y a transfert d’énergie de chaleur vers une énergie cinétique.
A la sortie du venturi et seulement si la vitesse du son a été dépassée dans la tuyère de Laval, les molécules de gaz vont continuer d’accélérer en prenant l’énergie sur leur propre chaleur suivant le principe de conservation de l’énergie. La température va baisser ainsi que la pression.
Voir le diagramme ci-dessous :
Sur ce graphique, on observe une forte diminution de la température dans le divergeant et dans le convergeant.
Il en ait de même pour la pression, à l’inverse la vitesse augmente fortement.
T : température
P : Pression
V : vitesse Sur ce graphique, on observe une forte diminution de la température dans le divergeant et dans le convergeant.
Il en est de même pour la pression, à l’inverse la vitesse augmente fortement
Diagramme de pression/température/vitesse dans une tuyère de Laval.
Une partie des gaz qui s’échappent de la tuyère est utilisée pour faire fonctionner la turbopompe.
II-) Les caractéristiques du moteur nucléo-thermique.
Nous allons maintenant définir les caractéristiques du moteur et son évolution au cours du temps :
- A travers l’étude de son impulsion spécifique
- De sa poussée
- de sa puissance
- de son accélération
- de son débit massique.
<>
Année | 1961 | 1969 | 1991 |
Véhicule | Saturn C-3BN | Saturn V-25(S) U | Nerva 2 |
Étagement | |||
étage NERVA | |||
Nom moteur | NERVA | NERVA | NERVA NTR |
Isp | 800 s | 825 s | 925 s |
Poussée (vide) | 266 kN | 889 kN | 333 kN |
Masse initiale | 32,5 t | 245 t | 158 t |
Masse sèche | 7,7 t | 71 t | 27 t |
La puissance en physique est la quantité d'énergie par unité de temps fournie par un système à un autre.
La puissance est donnée par : Nous connaissons la poussée, il faut donc calculer la vitesse d’éjection Ve donnée par :
Ve=Isp*g
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1961 | 1969 | 1991 | |
Ve | Ve=800*9,81 Ve=7848m/s | Ve=825*9,81 Ve=8093m/s | Ve=925*9.81 Ve=9074m/s |
La puissance thermique est donnée par l’énergie cinétique du gaz à la sortie de la tuyère produite pendant 1s
La puissance est donnée par :
Soit T=mv, T est la poussée,
P=T*Ve/2
1961 | 1969 | 1991 | |
Puissance en MW | P=266*10³*7848/2 P=1044mW | P=889*103 *8093 P=3597mW | P=333*103 *9074/2 P=1511mW |
L’accélération est donnée par l’équation de Tsiolkovski,
Δv=Ve*ln m0/m1
M0 et m1 doit être donnée en kg
1961 | 1969 | 1991 | |
Variation de la vélocité (m/s) | Δv=7848*ln (32,5*104/7,7*104) Δv=11301m/s | Δv=8093*In (245*104/71*104) Δv=10023m/s | Δv=9074*ln*(158*104 /27*104) Δ=16031m/s |
On remarque que plus la vitesse d’éjection sera importante plus la poussée sera élevée. On remarque en effet une augmentation de la vitesse d’éjection et du débit massique lorsque la poussée augmente.
Comme on l’a montré précédemment, l’augmentation de la poussée correspond à l’augmentation de la température.
Ainsi on en déduit que plus on chauffera l’hydrogène, plus la vitesse d’éjection sera grande.
En 1991, les ingénieurs ont créé un moteur qui permettait d’avoir une vitesse d’éjection plus grande tout en ayant débit d’éjection moins important, donc une énergie dépensée ou une puissance dépensée moindre. En effet, les ingénieurs ont préféré privilégier une augmentation de l’Isp d’où découle directement la vitesse d’éjection.
Ainsi, la propulsion nucléaire présente de nombreux avantages :
Il a été développé durant la guerre froide et son coût de développement était moins élevé. Il utilise des technologies éprouvées.
Nous allons comparer un moteur nucléaire thermique nerva aux performances d’un moteur chimique :
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Moteur | J-2 | NERVA | |||||
Poussée | T | kN | 1014 | 266 | |||
Masse moteur | mM | kg | 1438 | 6803 | |||
Impulsion spécifique | Isp | s | 414 | 800 | |||
Puissance | P | =g.Isp.T/2 | MW | 2059 | 1044 | ||
Débit massique | dm | =T/(g.Isp) | kg/s | 250 | 34 | ||
Étage | S-IVB | même taille | même masse | S-N C-5N | |||
Masse sèche | m1 | kg | 13300 | 18665 | 42389 | 10429 | |
Masse initiale | m0 | kg | 119900 | 40683 | 119000 | 53694 | |
Delta-V sans charge | ΔV | =g.Isp.ln(m0/m1) | m/s | 8930 | 6115 | 8160 | 12861 |
Ainsi, on mettra en avant que l’impulsion spécifique du moteur nucléaire thermique est beaucoup plus importante que le moteur cryogénique.
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Moteur cryogénique | Moteur à propulsion nucléo-thermique |
Ve= Isp*g Ve=414*9,81 Ve= 4061m/s | Ve=7848m/s |
Cependant on remarque que la vitesse d’éjection est beaucoup plus élevée chez les moteurs nucléaires thermiques que chez les moteurs cryogéniques, on en déduit que les performances des moteurs cryogéniques sont moindres que celles des moteurs nucléaires thermiques.
Il présente cependant certains inconvénients :
Il présente une masse très importante notamment à cause du moteur nucléaire qu’il contient. Sa masse diminue beaucoup moins vite que dans le cas d’un moteur cryogénique.
Par ailleurs les très hautes températures atteintes par le moteur obligent à utiliser des métaux résistants, La température et donc la vitesse d’éjection sont donc limitées.
De plus, cela représente un risque moral et environnemental, moral car de nombreuses personnes ne sont pas disposées accepter d’envoyer un réacteur nucléaire dans l’espace avec les risques que cela comportent cas d’accident, les retombées radioactives créeront un risque immédiat et sur le long terme par la dissémination.
Nous mettrons ceci en évidence par l'intermédiaire d'un sondage que nous avons réalisé sur internet 47 personnes y ont participé.
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Approuveriez-vous l'envoie d'un réacteur nucléaire dans l'espace lors d'un voyage vers Mars malgré la dangerosité ? | |
 Non 77% 36 Oui 23% 11 | |
Dans cette partie, à travers la présentation du fonctionnement, des performances et des inconvénients du moteur à propulsion nucléo-thermique , nous avons montré que ce moteur futuriste était plus performant que les moteurs cryogéniques actuels.
Bien qu'en cas d'accident, les risques représentés par un réacteur nucléaire, autant sur le plan environnemental que sur le plan humain soient énormes face aux risques que représentent un moteur cryogénique. Ce moteur futuriste à propulsion nucléo-thermique reste le plus indiqué pour un voyage vers Mars que les moteurs cryogéniques actuels.
D'autres moteurs futuristes beaucoup plus performants tel que le réacteur antimatière vont maintenant vous être présentés.
