Pourquoi une fusée peut-elle décoller ?

Une erreur très répandue consiste à penser que le jet de la fusée s'appuie sur l'air ou sur le sol. Ce n'est pas le cas : le moteur fonctionne tout aussi bien dans le vide, et même mieux. Ce qui se produit est un échange de quantité de mouvement. La combustion produit un gaz à haute pression qui sort de la tuyère à plusieurs kilomètres par seconde ; en projetant cette masse vers le bas, le véhicule reçoit une impulsion égale et opposée vers le haut. Cette force est la poussée, et elle équivaut au débit de gaz expulsé multiplié par sa vitesse d'éjection. Plus il y a de masse éjectée par seconde et plus elle sort vite, plus la poussée est grande.

Pour que la fusée décolle du pas de tir, la poussée totale doit dépasser le poids du véhicule chargé. Le rapport entre les deux s'appelle le rapport poussée/poids, et il se situe généralement entre 1,2 et 1,5 au décollage. Un Falcon 9 démarre avec neuf moteurs Merlin qui totalisent environ 7 600 kN au niveau de la mer, contre un poids d'environ 5 400 kN ; l'excédent est ce qui accélère l'engin, d'abord en douceur, à peine 4 m/s². Un Saturn V décollait avec un rapport proche de 1,2, ce qui lui demandait plusieurs secondes pour dégager la tour de lancement.

L'équation de la fusée explique le reste. Comme le véhicule doit transporter tout ce qu'il expulse, près de 90 % de la masse sur le pas de tir est du propergol, la structure et la charge utile ne représentant qu'une faible fraction. À mesure que les réservoirs se vident, le poids diminue, le rapport poussée/poids augmente et l'accélération croît jusqu'à ce que les moteurs soient réduits pour ne pas dépasser les limites structurelles. C'est pourquoi les lanceurs sont divisés en étages : se débarrasser des réservoirs vides évite de continuer à accélérer une masse inutile.