Pourquoi les fusées volent-elles dans l'espace ?

L'idée intuitive selon laquelle un moteur « prend appui » sur l'air est fausse. Une fusée fonctionne en expulsant de la matière : elle brûle des ergols dans la chambre de combustion, accélère les gaz résultants à travers une tuyère, et les éjecte vers l'arrière à plusieurs kilomètres par seconde. La troisième loi de Newton énonce que cette action produit une réaction égale et opposée sur l'engin. Rien d'extérieur n'intervient ; la poussée est générée entièrement à l'intérieur du moteur, de la même façon sur la rampe de lancement qu'à 400 km d'altitude.

Un moteur à réaction d'avion puise l'oxygène dans l'atmosphère pour brûler du kérosène, c'est pourquoi il cesse de fonctionner dès que l'air se raréfie. Une fusée évite cette limite en transportant son propre oxydant, qu'il s'agisse d'oxygène liquide, de peroxyde d'azote, ou du perchlorate utilisé dans un propergol solide. C'est une solution coûteuse en termes de masse, puisque l'oxydant pèse généralement plus que le carburant, mais c'est la seule qui permette à un moteur de s'allumer dans le vide ou à la surface de la Lune.

Contrairement à une idée répandue, l'espace améliore en réalité les performances d'un moteur-fusée. Dans l'atmosphère, la pression extérieure freine l'expansion des gaz dans la tuyère et réduit la poussée ; dans le vide, cette pression disparaît et la même quantité d'ergol produit plus d'impulsion. C'est pourquoi les étages supérieurs utilisent des tuyères bien plus longues et plus larges que celles du premier étage, conçues pour fonctionner là où il n'y a pas d'air. De plus, sans traînée aérodynamique, une petite poussée suffit à changer d'orbite, et les satellites peuvent maintenir leur trajectoire pendant des années avec des moteurs minuscules.