Stabilité des fusées et systèmes de contrôle de vol

La construction d'un moteur-fusée efficace n'est qu'une partie du problème. La fusée doit également être stable en vol. Une fusée stable est une fusée qui vole dans une direction lisse et uniforme. Une fusée instable vole le long d'une trajectoire erratique, culbutant ou changeant parfois de direction. Les roquettes instables sont dangereuses car il n'est pas possible de prédire où elles iront - elles peuvent même se renverser et se diriger soudainement directement vers la rampe de lancement.

Ce qui rend une fusée stable ou instable?

Toute matière a un point à l'intérieur appelé le centre de masse ou «CM», quelle que soit sa taille, sa masse ou sa forme. Le centre de masse est l'endroit exact où toute la masse de cet objet est parfaitement équilibrée.

Vous pouvez facilement trouver le centre de masse d'un objet - comme une règle - en le mettant en équilibre sur votre doigt. Si le matériau utilisé pour fabriquer la règle est d'épaisseur et de densité uniformes, le centre de masse doit être à mi-chemin entre une extrémité du bâton et l'autre. Le CM ne serait plus au milieu si un clou lourd était enfoncé dans l'une de ses extrémités. Le point d'équilibre serait plus proche de la fin avec l'ongle.

CM est important dans le vol de fusée car une fusée instable tombe autour de ce point. En fait, tout objet en vol a tendance à s'effondrer. Si vous lancez un bâton, il basculera bout à bout. Lancez une balle et elle tourne en vol. Le fait de tourner ou de culbuter stabilise un objet en vol. Un frisbee ira là où vous le souhaitez uniquement si vous le lancez avec une rotation délibérée. Essayez de lancer un frisbee sans le faire tourner et vous constaterez qu'il vole dans un chemin irrégulier et tombe bien en deçà de sa marque si vous pouvez même le lancer du tout. 

Roulis, tangage et lacet

La rotation ou le culbutage a lieu autour d'un ou plusieurs des trois axes en vol: roulis, tangage et lacet. Le point d'intersection de ces trois axes est le centre de masse.

Les axes de tangage et de lacet sont les plus importants en vol de fusée, car tout mouvement dans l'une ou l'autre de ces deux directions peut faire dévier la fusée. L'axe de roulis est le moins important car le mouvement le long de cet axe n'affectera pas la trajectoire de vol.

En fait, un mouvement de roulement aidera à stabiliser la fusée de la même manière qu'un ballon de football correctement passé est stabilisé en le faisant rouler ou en spirale en vol. Bien qu'un ballon de football mal passé puisse toujours atteindre son but même s'il tombe plutôt que roule, une fusée ne le fera pas. L'énergie d'action-réaction d'une passe de football est complètement dépensée par le lanceur au moment où le ballon quitte sa main. Avec les fusées, la poussée du moteur est toujours produite pendant que la fusée est en vol. Des mouvements instables autour des axes de tangage et de lacet feront que la fusée quittera le cap prévu. Un système de contrôle est nécessaire pour empêcher ou au moins minimiser les mouvements instables.

Le centre de pression

Un autre centre important qui affecte le vol d'une fusée est son centre de pression ou «CP». Le centre de pression n'existe que lorsque l'air passe devant la fusée en mouvement. Cet air circulant, frottant et poussant contre la surface extérieure de la fusée, peut l'amener à se déplacer autour de l'un de ses trois axes.

Pensez à une girouette, un bâton en forme de flèche monté sur un toit et utilisé pour indiquer la direction du vent. La flèche est attachée à une tige verticale qui sert de point de pivot. La flèche est équilibrée de sorte que le centre de masse se trouve juste au point de pivot. Lorsque le vent souffle, la flèche tourne et la tête de la flèche pointe vers le vent venant. La queue de la flèche pointe dans le sens vent arrière.

Une flèche de girouette pointe vers le vent car la queue de la flèche a une surface beaucoup plus grande que la pointe de la flèche. L'air qui coule donne une plus grande force à la queue qu'à la tête, de sorte que la queue est repoussée. Il y a un point sur la flèche où la surface est la même d'un côté que de l'autre. Cet endroit est appelé le centre de pression. Le centre de pression n'est pas au même endroit que le centre de masse. Si c'était le cas, aucune des extrémités de la flèche ne serait favorisée par le vent. La flèche ne pointe pas. Le centre de pression se situe entre le centre de masse et l'extrémité arrière de la flèche. Cela signifie que l'extrémité arrière a plus de surface que l'extrémité de tête.

Le centre de pression dans une fusée doit être situé vers la queue. Le centre de masse doit être situé vers le nez. S'ils sont au même endroit ou très proches les uns des autres, la fusée sera instable en vol. Il essaiera de tourner autour du centre de masse dans les axes de tangage et de lacet, produisant une situation dangereuse.

Systèmes de contrôle

La stabilité d'une fusée nécessite une certaine forme de système de contrôle. Les systèmes de contrôle des fusées maintiennent une fusée stable en vol et la dirigent. Les petites fusées ne nécessitent généralement qu'un système de contrôle stabilisateur. Les grosses fusées, comme celles qui lancent des satellites en orbite, nécessitent un système qui non seulement stabilise la fusée mais lui permet également de changer de cap en vol.

Les contrôles sur les fusées peuvent être actifs ou passifs. Les commandes passives sont des dispositifs fixes qui maintiennent les fusées stabilisées par leur présence même à l'extérieur de la fusée. Les commandes actives peuvent être déplacées pendant que la fusée est en vol pour stabiliser et diriger l'engin.

Contrôles passifs

Le plus simple de tous les contrôles passifs est un bâton. Les flèches de feu chinoises étaient de simples fusées montées aux extrémités de bâtons qui maintenaient le centre de pression derrière le centre de masse. Les flèches de feu étaient notoirement inexactes malgré cela. L'air devait passer devant la fusée avant que le centre de pression puisse prendre effet. Tandis qu'elle est toujours au sol et immobile, la flèche pourrait basculer et tirer dans le mauvais sens.