Propulsion nucléaire (astronautique)

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Cet article traite de propulsion spatiale, pour les systèmes de propulsion nucléaire terrestres ou maritimes, voir moteur atomique et propulsion nucléaire navale.

La propulsion nucléaire est la technique d'utilisation de l'énergie nucléaire pour obtenir une propulsion spatiale plus puissante, plus efficace, ou loin d'une étoile fournissant de la lumière pour des panneaux photovoltaïques.

Avantages[modifier | modifier le code]

La densité énergétique des réactions nucléaires (fission, fusion, annihilation matière-antimatière) est 107 à 109 supérieure à celle des réactions chimiques. Cela permet d'envisager d'énormes améliorations de l'impulsion spécifique des systèmes de propulsion. En effet, l'I_{sp} idéale peut être exprimée en fonction de cette densité: I_{sp} = 144,22 \sqrt E où l'impulsion est en secondes et la densité E en kJ/g.

Cependant, il y a d'innombrables difficultés techniques dans le couplage efficace de l'énergie nucléaire avec le fluide propulsif éjecté par le moteur du vaisseau spatial. Par exemple, une fusée chimique propulsée par un moteur RL-10 fonctionnant au mélange LOX/LH2 récupère en énergie cinétique plus de 80 % de l'énergie idéale de la réaction chimique entre les ergols. Aucun concept de propulsion nucléaire n'atteint cette efficacité.

De plus, dans le cas de la propulsion nucléaire thermique (NTP) ou électrique (NEP), la densité énergétique globale (énergie rapportée à la masse de tout ce qui est éjecté) est très loin de l'idéal car cette énergie sert à chauffer ou accélérer une grande quantité de fluide. Par contre, ce défaut ne s'applique pas aux concepts de propulsion n'éjectant que les produits de la réaction nucléaire en jeu.

Classification[modifier | modifier le code]

Propulsion nucléaire thermique (NTP) L'énergie dégagée par un réacteur à fission nucléaire chauffe un fluide propulsif (généralement du LH2) éjecté par une tuyère
Propulsion radioisotopique Même principe que la propulsion nucléaire thermique, sauf que la source de chaleur n'est pas une réaction de fission en chaîne, mais la désintégration spontanée d'un isotope radioactif
Propulsion par fragments de fission Exploite directement la vitesse des noyaux issus de la fission nucléaire
Propulsion nucléaire pulsée La poussée est obtenue par le souffle d'explosions séquentielles de charges à fission ou fusion, le format de ces charges élémentaires va de la bombe atomique jusqu'à la pastille fusionnée par confinement inertiel
Propulsion thermonucléaire Éjecte les produits d'une réaction de fusion continue par une tuyère magnétique
Propulsion antimatière Les concepts précédents peuvent faire intervenir d'infimes quantités d'antimatière comme catalyseur, la propulsion antimatière l'utilise comme source primaire d'énergie

Variations[modifier | modifier le code]

Propulsion nucléaire électrique[modifier | modifier le code]

Le domaine de la propulsion nucléaire électrique (NEP), dans lequel un réacteur nucléaire ne sert que de source d'énergie pour alimenter des propulseurs ioniques, ne relève techniquement que de la propulsion électrique.

Bimodal NTR NEP propulsion (fr).png

Néanmoins, certains concepts de véhicule utilisent une propulsion bimodale : les manœuvres dans les forts champs de gravité (à proximité des planètes) requérant un rapport poussée/poids important se font à l'aide d'une propulsion nucléaire thermique. Sorti du puits de gravité, dans les transits interplanétaires, le réacteur nucléaire fonctionne à un régime plus faible, en cycle fermé avec radiateur et turbine produisant la puissance destinée au fonctionnement d'un propulseur électrique de meilleure I_{sp}.

Ce type d'hybridation peut combiner toute sortes de propulsions nucléaires et électriques. L'approche la plus commune et d'apparier un réacteur à cœur solide de type NERVA avec une propulsion ionique. Le gain apporté dépend fortement de la nature de la mission du véhicule car il est basé sur un compromis entre la forte poussée / faible impulsion du mode NTP (rapport T/W > 0,1 et I_{sp} ≈ 900 s) et la faible poussée / forte impulsion du mode NEP (T/W < 10-3, I_{sp} de 2000 à 5000 s).

Augmentation LOX[modifier | modifier le code]

LANTR (fr).png
Mode O/F Isp Poussée Puissance[1]
NTR, H2 pur 0 940 s 67 kN 308 MW
augmentation LOX 3 647 s 184 kN 582 MW

Un moyen d'augmenter encore la poussée d'un moteur nucléaire est de procéder à une sorte de « postcombustion » par injection d'oxygène dans la tuyère. L'application la plus connue est le LANTR (LOX Augmented Nuclear Thermal Rocket) imaginée par S. Borowski et utilisant de l'oxygène produit sur la Lune (LUNOX). Cette poussée supplémentaire se fait au détriment de l'impulsion spécifique.

L'avantage évident de cette capacité à faire varier la poussée est de pouvoir conjuguer le rapport poids/poussée et l'impulsion spécifique de façon optimale en fonction des phases de la mission du véhicule (notamment décollage lunaire, injection ou éjection de l'orbite terrestre).

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. donnée par la formule P = T \cdot I_{sp} \cdot g / 2

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Article connexe[modifier | modifier le code]