Pourquoi une fusée vole-t-elle ?

Dans la chambre de combustion, le carburant et l'oxydant réagissent et produisent un gaz à haute pression et haute température. Ce gaz s'échappe par une tuyère en forme de cloche, qui l'accélère à des vitesses de 2 500 à 4 500 m/s selon le propergol. Expulser de la masse vers le bas produit une force égale vers le haut sur le véhicule : c'est la poussée. Plus le débit de gaz et sa vitesse d'éjection sont élevés, plus la poussée est grande, sans aucune intervention de l'air environnant.

Pour décoller, la poussée doit dépasser le poids total de la fusée, chargée en grande partie de propergol : dans un lanceur typique, plus de 85 % de la masse sur le pas de tir correspond au carburant et à l'oxydant. Au début, l'accélération est modeste, à peine supérieure à la gravité, c'est pourquoi les fusées s'élèvent lentement dans les premières secondes. Mais chaque seconde, le véhicule brûle des tonnes de propergol et s'allège, si bien que la même poussée produit une accélération toujours plus grande. À la fin d'un étage, la charge peut atteindre quatre ou cinq fois la gravité.

Atteindre l'orbite exige environ 7,8 km/s, et aucun lanceur à un seul étage n'y parvient avec une marge utile, car les réservoirs et moteurs vides constituent un poids mort. La solution classique consiste à diviser le véhicule en étages : lorsque le premier épuise son propergol, il se sépare et l'étage suivant allume ses moteurs en partant déjà d'une vitesse élevée et d'une masse bien plus faible. L'équation de Tsiolkovski, formulée en 1903, résume cette logique : la vitesse finale dépend de la vitesse d'éjection des gaz et du rapport entre la masse initiale et la masse finale. Pour une fusée, voler signifie gérer ce rapport avec précision.