Quatre astronautes, dont Thomas Pesquet, décollent ce 23 avril à bord de la capsule Crew Dragon, expédiée par la Falcon 9 de SpaceX. Comme lors de précédents décollages, on devrait voir des panaches de fumée émerger de la fusée encore au sol. D’où viennent-ils ?

SpaceX s’apprête à réaliser son deuxième vol commercial habité au profit de la Nasa. Le vendredi 23 avril 2021, la société envoie quatre astronautes, dont le Français Thomas Pesquet, vers la Station spatiale internationale. Ils vont décoller à bord de la capsule Crew Dragon, expédiée par la fusée Falcon 9.

Comme lors de précédents vols, on peut s’attendre à voir la Falcon 9 émettre des panaches blancs de fumée, alors même que la fusée sera encore au sol, avant son lancement. Mais de quoi sont constitués ces impressionnants dégagements de fumée ? Bien souvent, le réflexe en voyant cette fumée est de se demander si elle est polluante. « Ce nuage qui sort n’est pas polluant », prévient d’emblée Christophe Bonnal, expert senior à la direction des lanceurs du Cnes. Numerama l’avait interrogé en mai 2020, lors du lancement du tout premier vol habité de SpaceX (Crew Demo 2).

Ne pas confondre carburant et comburant

Pour comprendre de quoi est constituée cette fumée, il faut rappeler comment fonctionne un lanceur. « On remplit avec des comburants et des carburants. On utilise deux types d’ergols, c’est-à-dire les fluides qui vont servir à la propulsion. Généralement, le comburant est un dérivé d’oxygène et le carburant est un dérivé d’hydrogène », explique le spécialiste. On peut comparer cela à une voiture, où le comburant est l’air environnant et le carburant est l’essence mise dans le réservoir.

Les deux réservoirs de la fusée sont remplis alors qu’elle est sur son pas de tir. « On les remplit avec des liquides qui, lorsqu’ils seront mélangés, vont servir à la propulsion de l’étage », décrit Christophe Bonnal. Certains des ergols utilisés sont dit cryotechniques, ce qui signifie qu’ils sont particulièrement froids. Pour les fusées, trois types d’ergols cryotechniques servent communément : l’hydrogène, l’oxygène et le méthane (tous sous forme liquide).

« Dans le cas particulier de la Falcon 9, le carburant utilisé est du kérosène, stockable à température ambiante. Il est stable thermiquement », poursuit Christophe Bonnal. Pour le comburant de la Falcon 9, l’oxygène liquide, c’est différent. Puisqu’il s’agit d’un ergol cryotechnique, il n’est liquide qu’à très basse température. Pour des fusées, il ne serait pas efficace d’embarquer de l’oxygène sous forme gazeuse (comme celui que nous respirons), car il occuperait des volumes bien trop grands. Sa température est donc ramenée autour de -260° C.

Ce qu’on voit, c’est l’excédent gazeux d’oxygène

Le réservoir est rempli de cet oxygène. L’air extérieur, lui, est à température ambiante. « L’oxygène liquide se réchauffe très rapidement. En se réchauffant, il se vaporise. Cela devient du gaz qui prend bien plus de place et n’est plus à la bonne température : par conséquent, on s’en débarrasse », résume l’expert. Les réservoirs sont équipés d’évents, grâce auxquels l’oxygène sous forme gazeuse s’échappe (la situation est la même si l’on utilise de l’hydrogène ou du méthane). C’est cela que l’on a vu sur la Falcon 9. « On voit sortir l’excédent gazeux d’oxygène », résume Christophe Bonnal.

Si l’on peut observer ce phénomène, c’est parce que le réservoir cryotechnique doit être rempli en temps réel. « Ça se remplit et en même temps, ça dégaze — heureusement, moins qu’on le remplit. Jusqu’au moment du décollage, on est obligé de continuer à faire ce qu’on appelle dans le jargon les compléments de plein, de manière à toujours avoir le bon niveau, pour le moment du décollage », indique le spécialiste.

Pendant ce temps, l’oxygène gazeux est évacué. Il est bien plus froid que l’air ambiant, dans lequel le dégazage a lieu. « Dans une atmosphère comme celle que l’on trouve au Centre spatial Kennedy, très chaude et très humide, cela fait condenser formidablement l’air ambiant », fait observer Christophe Bonnal. Autrement dit, on évacue un élément beaucoup plus froid que l’atmosphère ambiante. Ce phénomène se produit pour la totalité des lanceurs qui fonctionnent avec un ergol cryotechnique.

D’ailleurs, ceci peut être à l’origine d’une autre situation plutôt impressionnante, qui n’a pas été observée ce mercredi, ajoute l’expert : « Les réservoirs qui sont froids condensent l’atmosphère qui est très humide, à côté. De la glace se forme à la surface des réservoirs. Au moment du décollage, la chute de ces glaçons peut surprendre. »

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