Vol balistique et missiles balistiques/Constitution du missile

On peut être étonné d'avoir vu à la page précédente se décomposer en plusieurs morceaux le missile balistique durant sa phase propulsée.
Nombre d'entre nous pensent que les fusées restent telles quelles sont, jusqu'au lancement du satellite.
D'autres ont le souvenir de la fusée de Tintin qui garde continûment sa très belle allure pendant le voyage vers la Lune.
En fait, il n'en est rien.

Vol balistique et missiles balistiques

• Pourquoi balistique ?
• Constitution du missile
• Trajectoire propulsée du missile balistique
• Trajectoire balistique de l'arme lancée
• Comportements en vol
• Essais en vol
• Rentrée dans l'atmosphère
• Cas particuliers
• Défense contre les missiles balistiques
• Remarques
• Réflexion sur les armes nucléaires
• Références

Pour aller très vite de plus en plus vite, ce qui est l'objectif du lancement (atteindre le plus vite possible la très grande vitesse qui permettra le lancement), le jet de gaz - qui fait acquérir la vitesse - ne doit pousser aucune masse inutile.

On cherche bien sûr à utiliser les matériaux les plus légers pour construire un lanceur de satellite ou un missile balistique, mais ils ne le sont jamais assez.

La solution: décomposer en morceaux dont on se séparera dès qu'il ont terminé la propulsion qu'on leur demande.
D'où un allègement et en fait plusieurs, de façon successive en se délestant de ce qu'on appelle des « étages » quand ils ont fini leur combustion.
Tous les missiles balistiques à forte vitesse finale et tous les lanceurs de satellites décollant du sol sont construits sur ce principe.

Acquérir la vitesse

Le principe de la propulsion des fusées est celui du recul d'une arme à feu.
C'est de même celui de la barque pleine de gros cailloux qu'on lance vers l'arrière. La barque avance.

La fusée jette vers l'arrière une masse de gaz (dont elle est remplie mais sous une autre forme on va le voir). Elle avance.
Physiquement, il s’agit de conservation de la quantité de mouvement dont trouve l'explication dans le Wikibook consacré aux principes physiques de la propulsion des fusées.

Dans une fusée, si l'on projette d'un côté une masse (celle des gaz de combustion, que l'on croît à tort légère) avec une vitesse (les gaz au sortir de la tuyère ont une vitesse énorme), alors la fusée est mise en mouvement de l'autre côté, d'autant plus vite que la masse et la vitesse des gaz sont importantes. C'est le principe dit « action-réaction ».
La génération des gaz provient d'une réaction chimique très forte entre un comburant et un combustible, dits « ergols » ou « propergols » (ergols de propulsion). La fusée avance et rien ne l'empêche d'avancer encore. Elle va de plus en plus vite parce qu'on éjecte longtemps de très grandes quantités de gaz.

La masse globale de la fusée diminue au fur et à mesure que les ergols sont consommés :

• pour les propergols liquides, au moyen de pompes qui puisent dans de très grands réservoirs et font se mélanger devant la tuyère le comburant et le combustible dans une chambre de combustion.

Les premiers propergols liquides, ceux qu'il est le plus facile de se procurer, sont souvent très agressifs pour les structures qui les contiennent. Aussi le remplissage doit-il se faire juste avant le tir. Cette contrainte pèse sur la capacité militaire.

La génération suivante pallie cet inconvénient majeur. Les ergols sont alors dits « stockables » car ils peuvent rester un temps significatif dans les réservoirs. Ils n’en présentent pas moins un réel danger, surtout quand ils sont embarqués dans des sous-marins.

• pour les propergols solides, par l'emploi de très gros blocs de poudre constitués d'un mélange - stable évidemment - de comburant et de combustible que l'on met à feu avec un allumeur. Son allumage déclenche la réaction entre les deux ergols et la production de gaz.

La surface d’allumage est conçue pour provoquer un dégagement de gaz relativement constant et donc une poussée uniforme. Le propergol qui n’a pas encore brûlé, présent entre la zone de combustion et la cloison du réservoir, sert de protection thermique au réservoir ainsi que le montrent les schémas (approximatifs) ci-dessous).

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Réaliser un étage

Un missile balistique dès qu'il doit fournir une vitesse importante est donc composé de plusieurs étages, même si chaque étage doit disposer d’un allumeur, d’une tuyère et d’autres équipements connexes et que cela augmente le poids au décollage. Au bilan, après la séparation des étages, on a gagné en vitesse par rapport à un engin à un seul étage (dit « monocorps » ou « monobloc »).

Chaque étage est constitué à partir d'un réservoir de propergol conçu au début en acier puis en fibre de verre, de kevlar ou de carbone pour alléger au maximum la masse du missile balistique.

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  Débris du réservoir de carburants liquides hypergoliques du deuxième étage d'un lanceur spatial américain Delta II. Acier, 250 kg, 1997.
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  Réservoir cryogénique du démonstrateur X-33 en composites, 2001. Le programme fut abandonné par la NASA en raison de défauts sur le réservoir, pointés sur la photographie.

Le réservoir ne doit pas être atteint par la flamme de combustion sans quoi il serait détruit. Aussi l'allumage se fait-il par un canal central laissé vide à la constitution du bloc. Le front de flamme (schéma ci-dessus à gauche en rouge) a une section qui finit par être circulaire. Quand la flamme atteint le réservoir c'est signe qu'il n'y a plus d'ergols, donc plus de propulsion. L'étage est largué.

Le réservoir fait la structure du missile balistique. Il faut lui ajouter ce qui est nécessaire pour qu'il devienne un étage. On rapporte à l'avant et/ou à l'arrière des structures qui permettent de relier les étages entre eux. On ajoute des équipements qui sont attachés à l'étage et ne servent que pour lui : des équipements électroniques et des piles de puissance. Celles-ci alimentent des vérins électriques fixés à la tuyère ou une petite station d'huile et des pistons s'ils fonctionnent à l'huile. Leurs mouvements dévient le jet de gaz et permettent le pilotage du missile balistique.

La réalisation d'un joint flexible pour la tuyère qui assure l’étanchéité, la tenue à la chaleur de la flamme et la reprise des efforts mécaniques créés par les mouvements de la tuyère est le point délicat des propulseurs à poudre. Dans les missiles balistiques de technologie moins avancée on utilise, pour dévier le jet, des injections de gaz dans la tuyère qui est fixe et percée de trous judicieusement disposés. Ou bien on fait tourner la tuyère, un joint rotatif étant plus accessible qu'un joint souple.

Avec ce dernier, capable de résister à des températures de quelques milliers de degrés tout en conservant des caractéristiques mécaniques convenables et la mobilité nécessaire, la tuyère permet un pilotage optimal.

Assembler plusieurs étages

Les étages sont assemblés horizontalement ou verticalement. Pour qu'un missile balistique lance à très grande vitesse il lui faut généralement trois étages.
Les premiers et deuxièmes étages sont d'abord reliés ensemble. Ils ont la même composition qui a été présentée ci-dessus.
Le dernier étage est ensuite assemblé. Il est plus complexe.

Les derniers étages sont dotés d'une structure complémentaire dite « case à équipements ». On y trouve l'ordinateur qui a reçu le programme de vol et qui l'exécute en commandant le largage de l'arme (ou des armes). On y trouve aussi dans les dernières générations de missiles balistiques un équipement de visée des étoiles qui précisera la position de l'étage avant le lancement afin de le rendre particulièrement précis.

Enfin, le dernier étage est surmonté de l'arme ou d'un plateau qui porte les armes quand il y en a plusieurs. On recouvre le plateau (ou l'arme quand elle est seule) avec une coiffe. Le rôle de la coiffe est de donner au missile balistique un caractère convenablement aérodynamique tant que l'air apporte une opposition significative au vol (frottements).

Séparer les étages pendant le vol

Le schéma ci-dessous présente la « vie » du missile balistique tout au long de son vol qui dure environ de une minute et demie à deux minutes pour les portées intermédiaires et jusqu'à trois minutes et un peu plus pour les très longues portées. À la fin de ces quelques minutes il n'y a plus qu'une arme (ou des armes) dans l'espace. Il n'y a plus de missile balistique. Il s'est totalement détruit.

On distingue ainsi après la mise à feu du premier étage, à la figure:

1. la fin de la combustion du premier étage ;
2. l'allumage du second étage et la séparation du premier étage, vide ;
3. le largage de la coiffe : à mi-parcours du second étage l’atmosphère devient suffisamment raréfiée pour que les frottements de l’air n’apportent plus de perturbations significatives sur la partie supérieure du missile balistique. On se débarrasse donc de la coiffe qui n'a plus de rôle de protection, ce qui allège ;
4. la fin de combustion du second étage ;
5. l'allumage du troisième étage et la séparation du second, vide ;
6. la presque fin de combustion du troisième étage ;
7. la séparation de l’arme (représentée par le rond de couleur violette) décidée par le programme de vol quand elle atteint la vitesse ad hoc de façon tangentielle à l’ellipse ad hoc elle aussi qui interceptera la Terre à l'endroit exact où se situe la cible (voir plus loin). Le troisième étage, séparé de l'arme, finit peu après, quelque part et seul, sa combustion.

À la fin du parcours le missile balistique n'existe plus ou, dit différemment, il n'est plus que l'arme qu'il a emportée.

En résumé

Si les missiles balistiques de courte portée peuvent être constitués d’un seul étage, ceux de portée intermédiaire en ont deux. Les longues portée en demandent trois, parfois quatre, de taille décroissante. Tous les derniers étages (ou le premier s’il est seul) se terminent par une « case à équipements » contenant les équipements qui servent au fonctionnement du missile balistique tout au long du vol, dont ceux dédiés à l'exécution du programme de vol ou le viseur d'étoiles qui permet un recalage au dernier moment. Pilotage, guidage, alimentation électrique, gestion de la charge utile, etc., tout est géré par l'ordinateur embarqué sans aucune communication avec le sol.

A priori, rien n'oblige les étages à être superposés. Toutefois, les missiles balistiques sont quasiment tous à étages superposés. La forme allongée de cette configuration est de plus beaucoup plus compatible avec leur installation dans des silos blindés, sur des trains ou des camions, ou à bord de sous-marins. Elle permet également de diminuer la résistance aérodynamique du missile lorsqu'il atteint des vitesses importantes.