Newton de poussée
Le newton est la force qui, en une seconde, accélère un kilogramme d’un mètre par seconde. Une pomme d’environ 100 grammes appuie sur la paume avec une force d’un newton. Un moteur-fusée éjecte des centaines de kilogrammes de gaz par seconde à 3–4 km/s et obtient une poussée de plusieurs millions de newtons — des méganewtons.
La poussée a deux termes : la quantité de mouvement du jet ṁ·vₑ et la différence de pression en sortie de tuyère. C’est pourquoi un même moteur pousse moins au sol que dans le vide, et la forme de la tuyère décide où il fonctionne le mieux. Une fusée ne décolle que si la poussée dépasse le poids ; leur rapport est le rapport poussée/poids.
| Notation | N · kN · MN |
| Définition | 1 N = 1 kg·m/s² — d’après la deuxième loi de Newton F = ma |
| Poussée | F = ṁ·vₑ + (pₑ − pₐ)·Aₑ |
| Anciennes unités | 1 kgf = 9,80665 N · 1 tf = 9,807 kN · 1 lbf = 4,448 N |
| Décollage | rapport poussée/poids F / mg supérieur à 1 · pour les fusées au décollage 1,2–1,6 |
| Valeurs typiques | pomme — 1 N · réacteur d’avion — des centaines de kN · moteur à ergols liquides — environ 2 MN · lanceur lourd — 30–70 MN |
01 · Définition
Force, quantité de mouvement du jet et pression de sortie
Deuxième loi de Newton : la force est égale à la masse multipliée par l’accélération. Le newton est la force qui donne à un kilogramme une accélération de 1 m/s². Un moteur prend appui sur son propre jet : chaque seconde, il éjecte une masse ṁ à la vitesse vₑ et reçoit une force ṁ·vₑ — selon la troisième loi.
Le second terme est la pression. Si le gaz en sortie de tuyère presse plus fort que l’air, il pousse encore ; s’il presse moins, l’air comprime le jet et retire de la poussée. Une tuyère longue accélère davantage le gaz et fonctionne bien dans le vide, mais perd au sol. Une courte, c’est l’inverse. L’impulsion spécifique Isp est la poussée rapportée au poids d’ergols consommé par seconde, en secondes : plus elle est élevée, plus le moteur est économe.
Combien de newtons faut-il pour décoller
Choisissez ce qu’il faut soulever et réglez la poussée — l’échelle est logarithmique, de 0,1 N à 100 MN. Le poids est la force de pesanteur mg. Le décollage a lieu quand la poussée dépasse le poids.
Garage : assemblez une fusée pièce par pièce
La fusée est dans le hall d’assemblage. Chaque pièce change la masse, la traînée et la poussée : la coiffe, la forme du nez ; le corps, le diamètre des réservoirs et le nombre de moteurs qui y tiennent ; l’empennage, la stabilité au max-Q ; le moteur et la tuyère, la poussée et l’impulsion spécifique. La dernière pièce modifiée est mise en évidence. À droite : la masse par éléments, le rapport poussée/poids et la réserve de Δv. Quand la fusée est prête — « Vers le pas de tir ».
Assemblez une fusée — et voyez si elle décolle
La fusée s’assemble dans le garage ci-dessus : coiffe, corps, empennage, moteurs, tuyère, ergols et charge utile. Ce qui a été assemblé arrive sur la table. L’action principale est « Lancer » : compte à rebours, allumage, décollage, mur du son, pression dynamique maximale, extinction des moteurs et vol balistique jusqu’au point culminant. Au garage, on peut ajouter un deuxième étage et activer « Virage vers l’orbite » : après le décollage, la fusée s’incline vers l’horizon, le premier étage se sépare, le second gagne environ 7,8 km/s à l’horizontale — et si le périgée dépasse 160 km, la fusée est en orbite. Sans virage, le vol est vertical, comme celui d’une fusée-sonde. Les premières secondes passent lentement, ensuite le vol est accéléré ; le curseur sous la scène le fait défiler. À droite, une tuyère en coupe : pression de sortie contre pression ambiante, dont dépendent la forme du jet et la poussée.
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02 · Conversion
| {n} | {v} | {note} |
Calcul rapide : une tonne-force fait presque 10 kN, cent tonnes de poussée environ 1 MN. Plus précisément, multiplier par 9,807.
Les moteurs américains sont souvent décrits en livres-force : un million de lbf font 4,45 MN.
03 · Ordres de grandeur
04 · Instruments de mesure
05 · Règles d’écriture
06 · Unités voisines
07 · Section historique
Le newton est une unité SI dérivée : kilogramme, mètre et seconde. Depuis 2019, le kilogramme est défini par la constante de Planck, et le newton s’appuie sur elle aussi. Les étalons de force sont des machines qui chargent un capteur avec des masses connues dans un champ de pesanteur connu ; les plus grandes atteignent plusieurs méganewtons.
La poussée d’un moteur-fusée n’est pas une constante de fiche technique. Elle dépend de la pression ambiante ; les caractéristiques donnent donc deux chiffres : au niveau de la mer et dans le vide. Les anciens manuels donnaient la poussée en tonnes-force ; selon le GOST 8.417, c’est une unité hors système, convertie en newtons en multipliant par 9 807.
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