Divers concepts de moteur nucléothermique :

Bien avant le début de l'ère spatiale, les ingénieurs aérospatiaux ont cherché à développer des systèmes de propulsion de plus en plus efficaces. Les systèmes de propulsion chimiques qui brûlent un carburant et un oxydant pour produire la poussée furent les premiers à évoluer. Avec leurs rapports poids/poussée élevés (c à d, un moteur de petite taille peut produire une grande quantité de poussée), les fusées chimiques à combustibles liquides étaient les premières à nous permettre de surmonter les liens de la pesanteur et de passer le seuil de l'espace.

Les systèmes de propulsion chimiques les plus efficaces aujourd'hui brûlent l'hydrogène et l'oxygène liquides et ont une ISP d'environ 450 secondes. L'impulsion spécifique, appelée ISP, est une mesure de l'efficacité d'un système de propulsion. Il peut être considéré comme la quantité de poussée obtenue par unité de masse de propergol. Avec une ISP de 450 secondes, par exemple, une livre (0,45 kilogrammes) de propergol donne une poussée de 450 livres (2.000 newtons) par seconde.

L'ISP donne également la vitesse d’éjection des gaz d'un moteur quand elle est multipliée par l'accélération due à la pesanteur. Comme chaque spécialiste des fusées le sait, plus la vitesse d'éjection des gaz est grande, plus une fusée, d’une masse donnée, voyagera vite. Réciproquement, des vitesses plus élevées d'éjection des gaz peuvent traduire une plus grande charge utile pour une fusée donnée.

Des vitesses d'éjection plus élevées peuvent être obtenues en augmentant la température et la pression dans la chambre de combustion du moteur. Mais les limitations de résistance des matériaux employés dans la chambre de combustion d'un moteur ne permettent pas d’augmenter indéfiniment ces deux paramètres. Les meilleurs systèmes chimiques de propulsion actuels sont déjà très près de l’ISP maximal théorique.

L’hydrogène liquide et le fluor, pourrait fournir une augmentation modeste d’ISP. Mais les difficultés d'ingénierie pour l’utilisation du fluor liquide, dangereusement réactif, annule tous les avantages. Aujourd'hui, les constructeurs de moteur-fusée sont davantage concernés par l’augmentation du rapport poids/poussée du moteur et par la réduction des coûts de fabrication.

Une autre famille de système de propulsion qui offre une ISP sensiblement plus élevée est basée sur la technologie des ions ou du plasma. Ici, des champs électromagnétiques élevés accélèrent un fluide de fonctionnement ionisé à des vitesses très élevées. Bien que de tels systèmes puissent avoir une ISP supérieur à 1000, ils ont des rapports poids/poussée minuscule.

Avec la masse du système de production d'électricité exigé pour faire fonctionner ces moteurs, ces systèmes sont seulement capables d'accélérations minuscules. Bien que ces systèmes de propulsion aient leurs applications, des taux élevés d'accélération combinées avec une haute ISP doivent être recherchés ailleurs.

Principe de base du moteur nucléo thermique :

Une des possibilités les plus prometteuse dans l'extension de la technologie des moteurs fusées est la propulsion nucléaire. À la différence d'un moteur-fusée chimique qui emploie la combustion pour chauffer les propergols qui sont expulsés par la tuyère pour produire de la poussée, une fusée nucléaire utilise un réacteur atomique pour surchauffer un propergol léger, idéalement l’hydrogène.

Bien que les moteurs chimiques et nucléaires partagent des limitations semblables d'ingénierie, le poids moléculaire très faible de l'hydrogène comparé a celui du produit de combustion d'un moteur hydrogène-oxygène (c.-à-d. de la vapeur d'eau) explique les vitesses beaucoup plus élevées d'éjection pour une température et une pression donnée dans le moteur.

Ceci explique aussi une ISP trois fois plus élevée, de l’ordre de 1000 secondes. Mais un tel moteur peut-il être construit? Peu après les premiers essais réussis d’armes nucléaires, les premières études d’utilisations pacifiques de cette source de puissance ont commencé. Dès 1944, Stanislas Ulam et Frederick Hoffman du Los Alamos Scientific Laboratory (LASL) ont étudié la possibilité d’utiliser des détonations nucléaires pour le voyage dans l'espace.

Tandis qu'un tel système de propulsion serait étudié plus tard en détail dans le cadre du projet Orion de l'ARPA (Advanced Research Projects Agency) et du projet Daedalus de la société interplanétaire britannique, on a estimé qu'une solution plus contrôlée de l'énergie atomique serait plus appropriée.

En juillet 1946, North American Aviation et Douglas Aircraft remettaient chacun un rapport secret sur leurs études internes pour la propulsion nucléaire à l’US Air Force. Ces rapports de référence indiquaient le moteur-fusée nucléaire "à transfert thermique" (où un réacteur chauffe un fluide de fonctionnement) comme la forme la plus prometteuse de propulsion nucléaire.

Un tel système de propulsion pouvait, en principe, être incorporé à un ICBM pour lancer les ogives nucléaires à travers le globe. Mais en dépit du rapport enthousiaste et des promesses technologiques, on a identifié qu'il restait beaucoup de problèmes techniques qui devait d’abord être résolus. Indépendamment de ces rapports secrets, un groupe d'ingénieurs du Applied Physics Laboratory de la Johns Hopkins University ont publié les résultats de leurs propres études en janvier 1947.

En 1948 et 1949, deux britanniques, A.V. Cleaver et L.R. Shepherd, ont également édité une série d’articles dans le journal de la société interplanétaire britannique sur le même sujet. Un peu avant que cette série d’article ait été éditée, un scientifique chinois nommé H.S. Tsien (qui plus tard a dirigé le programme chinois d’armes nucléaire) a présenté un exposé au Massachusetts Institute of Technology au sujet des fusées thermiques nucléaires.

Dans toutes ces études, la conclusion était que la propulsion nucléaire semblait viable. Etant donné le nombre de personnes qui sont arrivées indépendamment aux même conclusions, il était clair que l’US Air Force n'aurait pas le monopole dans les études de la propulsion nucléaire. Mais tout cet enthousiasme pour les fusées nucléaires a été tempéré par un rapport technique ultérieur de North American Aviation. Ce rapport concluait qu'un ICBM propulsé par un moteur fusée nucléaire ne serait pas d’utilisation pratique. Les scientifiques de North American estimaient que le réacteur d'une fusée nucléaire devrait fonctionner d'une manière continue à la température fantastique de 3200°C, beaucoup plus que pour les réacteurs existants alors.

Aucun matériau connu ne pouvait résister à de telles températures et conserver les propriétés mécaniques nécessaires dans un moteur. Avec ceci et d'autres problèmes identifiés, l'intérêt pour les fusées nucléaires s'est ralenti sensiblement pendant que les années 50 commençaient.

Sources :

NUCLEAR THERMAL PROPULSION
Nuclear Rocket Power in Space: Generational Legacy
Nuclear Thermal Rocket Propulsion (Pdf de très grande Taille !)