Pourquoi une fusée décolle-t-elle si vite ?

L'image d'une fusée partant comme une balle est trompeuse. Dans les premières secondes, un grand lanceur se déplace lentement : la poussée dépasse le poids de seulement 20 à 40 %, et l'accélération nette est de quelques mètres par seconde carrée, moins que celle d'une voiture de sport. Ce qui donne l'impression d'un tir, c'est que cette accélération ne cesse d'augmenter. Le moteur brûle des tonnes de propergol par seconde, la masse diminue, et la même poussée déplace de moins en moins de kilogrammes. À la fin du premier étage, la charge peut atteindre 3 ou 4 g, c'est pourquoi certains engins réduisent la poussée avant la séparation.

La poussée dépend de la quantité de masse que le moteur expulse et de la vitesse à laquelle elle sort. Un moteur au kérosène et à l'oxygène liquide éjecte le gaz à environ 3 km/s ; un moteur à hydrogène, environ 4,4 km/s. Cette vitesse d'éjection détermine la vitesse que la fusée peut gagner par kilogramme de propergol brûlé, et explique pourquoi on tolère de transporter d'énormes réservoirs : atteindre l'orbite exige une vitesse effective d'environ 9,4 km/s, en ajoutant la vitesse orbitale elle-même plus les pertes dues à la gravité et à la résistance de l'air.

Tout le processus est programmé. L'engin passe le point de pression dynamique maximale entre 60 et 90 secondes, en réduisant souvent la poussée pour protéger la structure ; ensuite, l'atmosphère se raréfie et il peut accélérer sans résistance. Les étages sont largués dès qu'ils sont épuisés, si bien que le moteur final ne pousse qu'une fraction de la masse initiale. Cette chaîne d'événements est ce qui transforme un départ lent en une vitesse orbitale de 7,8 km/s en moins de dix minutes.