La fusée est une très vieille découverte, ce sont les indiens qui la fabriquèrent grâce aux inventions des chinois, notamment la poudre à canon. Elles furent utilisées à des fins guerrières. Le processus est assez simple, on conditionne un produit explosif et on y met le feu, celui-ci décolle alors par principe d’action-réaction en crachant des flammes.
        Ce n'est qu'au XVIIème siècle, avec les lois du mouvement d'Isaac Newton, que la recherche concernant les fusées prit un nouvel essor. Toujours à des fins guerrières, on étudia les comportements, les performances et les propriétés de ces explosifs.
        C’est à Constantin Tsiolkovski, scientifique russe d'origine polonaise, que l'on doit les plus grands progrès allant de la fin du XIXème siècle jusqu'à la Seconde Guerre Mondiale. On lui doit notamment la découverte de la loi fondamentale du rapport de masse. L'équation de Tsiolkovski est l'équation fondamentale de l'astronautique reliant l'accroissement de vitesse au cours d'une phase de propulsion d'un astronef doté d'un moteur à réaction au rapport de sa masse initiale à sa masse finale. Elle s’écrit de cette manière :

Avec v : la variation de vitesse entre le début et la fin de la phase propulsée considérée.
ve : la vitesse d'éjection des gaz.
mi : la masse totale de l'astronef au début de la phase propulsée (i pour initial)
mf : la masse totale de l'astronef à l'issue de la phase propulsée (f pour final), exprimée dans la même unité que mi.
ln : la fonction logarithme népérien.

        Cette équation nous montre l’intérêt de faire des fusées à plusieurs étages. En effet, le rôle d'une fusée spatiale est essentiellement de faire monter une charge utile à très haute altitude, et à très grande vitesse. La charge utile peut être un satellite, ou un équipage avec leur vaisseau, ou du ravitaillement pour une station spatiale. Seul le dernier étage contient la charge utile. Les autres étages comportent principalement un moteur et des réservoirs de carburant, et ils servent à faire monter la fusée. Une fois qu’un réservoir est vide, celui se détache permettant à la fusée d’être poussée plus efficacement. Pour avoir un ordre de grandeur, la masse de la fusée Ariane 5 est au décollage de 750 tonnes alors que sa charge utile est seulement de 6.9 tonnes en orbite géostationnaire.

         La fusée peut être considérée comme un véhicule assez simple, c'est une boîte aux parois solides entièrement close contenant du combustible. Il n'y a qu'un trou dans le fond, par lequel s'échappent les gaz provenant de la combustion. Ce qui implique donc que la boîte avance en sens opposé à celui du jet. Le mouvement se fait par réaction. Le principe est le suivant : le moteur éjecte à très grande vitesse d'importantes quantités de gaz dans une direction donnée. Par réaction à cette masse de gaz éjectée, le lanceur est propulsé dans la direction opposée.
       C'est donc ici la troisième loi sur le mouvement énoncée par Newton qui va nous intéresser: cette loi, dite de "l'action/réaction" (ou des "actions réciproques"), est comme dit précédemment le principal fondement permettant à une fusée d'être propulsée.
Elle est énoncée de cette manière :

Ceci se résume sur le schéma ci-dessous :

La force délivrée par ce principe s'appelle la poussée, elle doit au décollage être au minimum supérieure au poids du lanceur.
Celle-ci est calculée par la formule suivante :

        Prenons par exemple un moteur-fusée au débit massique de 10 kg/s. Les gaz sont éjectés à 1000m/s. la poussée qu’il communique au lanceur est donc de 10×1000=10000N.
        Au lieu de partir avec le maximum de vitesse et ne faire qu'en perdre par la suite à cause de la pesanteur et du freinage dans l'atmosphère, la fusée en gagne au fur et à mesure qu'elle avance grâce à la poussée. On dit donc qu’elle accélère.
        Évidemment la fusée utilise son carburant également dans le vide puisque l'oxydant nécessaire à la combustion peut être emporté dans des réservoirs sous différentes formes (ex : Dioxygène liquide, ozone liquide, oxydants tels que le fluor ou l'acide nitrique).
        C'est hors de l'atmosphère que la fusée atteint son meilleur rendement. En effet, dans l'atmosphère, les gaz propulsés sont freinés à leur sortie alors que dans l'espace rien ne s'oppose à la fuite des gaz. L'atmosphère peut alors être considérée comme un frein pour l'avancement de la fusée car les gaz s'échappent moins vite, donc il s'en échappe moins. Le mouvement transmis à la fusée n'atteint par conséquent plus son maximum. A cela s'ajoute le fait que la fusée subit un freinage dû à la masse d'air qui se trouve devant elle, comme cela se produit pour n'importe quel véhicule avançant sur Terre.
        Le problème est que la fusée doit atteindre une vitesse d’environ 8 kilomètres par seconde pour quitter l'atmosphère terrestre. Il faut pour cela prendre en compte trois éléments :
- La puissance du moteur
- Le carburant, la vitesse à laquelle la masse de gaz est expulsée.
- La diminution progressive du poids de la fusée à mesure que son carburant brûle. La fusée est donc de plus en plus facile à pousser.

        Le principe de l’action-réaction, énoncé dans la troisième loi de Newton, nous dit qu’à chaque action correspond une réaction d’intensité équivalente mais de sens opposé. Cette loi fondamentale impose que les moteurs permettant la propulsion d’une fusée soient des moteurs-fusées. Un moteur-fusée est un type de moteurs à réaction, c'est à dire un engin qui projette un fluide (gaz ou liquide) vers l'arrière.
        Le moteur-fusée est le premier réacteur mis au point. Il semble avoir été utilisé par les armées chinoises pendant le premier millénaire mais son apparition en Europe est beaucoup plus tardive. Ce type de propulseur est aujourd’hui utilisé essentiellement sur les lanceurs de satellites et les missiles.
        Un moteur-fusée est très important dans les voyages spatiaux. C’est lui qui permet à la fusée, qui porte le satellite ou la navette, de quitter l’atmosphère de la Terre et de mettre en orbite le satellite. Ils sont presque tous prévus pour fonctionner aussi bien hors de l’atmosphère terrestre qu’au niveau du sol ou de la mer. Pour cela, il a besoin d’une grande poussée pour atteindre la vitesse qui lui permettra d’avoir une propulsion optimale.
        En soit, le moteur-fusée est très complexe à réaliser. Il est le centre des attentions. C’est la pièce la plus importante de la fusée et la plus petite par sa taille mais déterminante pour la réussite ou l’échec de la mission.

        Le moteur permet à la fusée d’atteindre sa vitesse cosmique, programmée à environ 8 km/s, vitesse à laquelle le satellite transporté pourrait être mis en orbite basse autour de la Terre. Ce moteur fait donc l’objet de toutes les attentions. Ce qui prend le plus de temps est la conception. Le meilleur rendement poids-poussée est nécessaire: pour cela il faut prendre en compte quel carburant sera utilisé pour prévoir quel réservoir sera pris; il faut calculer la forme de la tuyère ainsi la pression qui sortira permettra d’obtenir une vitesse d’éjection optimale.
        Sa conception nécessite de nombreuses semaines de réflexion et de travail de la part des ingénieurs. Aucun défaut ne peut être autorisé sinon c’est la destruction de la fusée, et du coup du satellite ou de la navette (comme lors de l’un des lancements d’Ariane 5). En effet les défauts du moteur ne peuvent ni être corrigés ni être réparés quand il est en marche.
        Il est courant, lorsqu’il n’y a pas de vie en jeu, de faire exploser la fusée quand elle a atteint une bonne hauteur pour minimiser les risques qu’elle s’écrase sur le continent ou trop près d’une île, car une défaillance du moteur peut engendrer une trajectoire imprévue. C’est pour cela que le montage du moteur doit respecter les plans au millimètre près. Il faut compter environ un mois pour cela.
        Les moteurs-fusées (il y en a souvent plusieurs sur un lanceur), sont placés tout en bas. Le moteur en lui-même occupe une très petite partie de la fusée. Il est situé à l’intérieur de la carlingue, donc on ne peut pas le voir. Une erreur commune est de dire que la partie d’où les gaz s’échappent en une grande flamme est le moteur. Ce n’est pas le cas car c’est en fait la tuyère qui n’est qu’une partie du moteur.

        Un moteur est divisé en plusieurs compartiments : le réservoir du comburant et celui des propergols (cf. «Le choix du carburant»), la chambre de combustion, le col de la tuyère, la tuyère. Il possède aussi un système de refroidissement ainsi qu’un réseau de tuyauterie, qui achemine le carburant, le comburant et les gaz de réutilisation. Sa conception est très complexe et elle varie selon les ergols embarqués, la forme de la tuyère et le pays qui le conçoit. Le réservoir des propergols est la partie où l’on stocke le carburant qui servira à alimenter la fusée. Il est d’une grande taille pour permettre un stockage important des ergols qui sont déjà de densités très fortes.
        La chambre de combustion est la partie où sont injectés comburants et combustibles. Ce compartiment ne doit pas être trop grand sinon la réaction se finirait en une seule explosion.
        Le col de la tuyère (ou tuyère de Laval), inventé par Gustaf de Laval en 1887, est la partie située entre la chambre de combustion et la tuyère.
        La tuyère est un conduit où les gaz accélèrent et sortent du moteur. Sa forme conique sur les moteurs-fusées est due au besoin d’adapter la pression du flux de sortie des gaz à la pression ambiante, pour avoir une bonne stabilité de poussée mais aussi de combustion. Le diamètre de cette tuyère doit être assez large pour que les gaz de combustion s’échappent en créant de la poussée mais suffisamment étroit pour que toute la réaction de combustion ne se consume pas en une seule explosion. C'est la partie la plus grosse du moteur et la seule partie visible de celui-ci. Elle est placée à la sortie de la chambre de combustion et constitue un élément essentiel dans la propulsion de la fusée. C’est une partie du moteur où les gaz s’accumulent à la sortie de la chambre de combustion. Il faut donc un système de refroidissement qui soit assez puissant pour refroidir à la fois la tuyère et la chambre de combustion.

        Les scientifiques doivent ensuite choisir un carburant adapté. Le pétrole est le carburant le plus commun, il brûle à 2 300°C à l'air libre et donne une vitesse d'éjection de 2 000 m/s environ. Avec de l'oxygène comme comburant, qui brûle à 3 000°C et donne une vitesse d'éjection de 2 500 m/s. Avec du fluor, il brûle à 3 500°C en donnant une vitesse d'éjection de 2 700 m/s. Toujours avec du fluor, l'hydrogène comme carburant procurerait une vitesse de 3 600 m/s, pour une température de 4 600°C. Plus les mélanges donnent de vitesse plus leur température de combustion est élevée. Or, les matériaux contenus dans la fusée peuvent fondre à cause de ces températures élevées, l'acier fond à 1400°C, le chrome à 1800°C et le tungstène pur à 3 410°C. L'augmentation de la vitesse d'éjection implique donc non seulement des progrès en chimie, pour produire et conserver de tels carburants et comburants, mais également en matière de métallurgie spéciale et de fabrication de matériaux réfractaires. Les difficultés associées à ces progrès augmentent beaucoup plus rapidement que le gain en vitesse. Les carburants employés de science sûre à l'époque du premier spoutnik donnaient des vitesses d'éjection des gaz de 2 500 à 2 700 m/s. Il y a deux types principaux de moteur : le moteur-fusée à ergols solides et le moteur fusée à ergols liquides.
        Les carburants les plus efficaces que la chimie puisse compter produire peineront à dépasser 3 700 m/s. Ce qui est toujours loin des 7.86 kilomètres-seconde dont la fusée a besoin pour quitter l’atmosphère terrestre.
        Il y a deux types principaux de moteurs : le moteur-fusée à ergols solides et le moteur-fusée à ergols liquides.

        Le moteur-fusée à ergols solides utilise une poudre, noyée dans un gel, combinant carburant (soufre, carbone, ammoniaque...) et du comburant (composées oxygénés types sulfates, phosphates, etc...). Plus précisément, il contient un liant, un agent de réticulation, un catalyseur qui favorise la réaction chimique et éventuellement un régulateur de combustion. C'est en fait un explosif lent.
        Le bloc de poudre est percé par un canal situé généralement dans l'axe, qui sert de chambre de combustion. L'allumeur met le feu à la poudre à une extrémité du canal et la combustion se propage immédiatement sur tout le contour du canal. Celui-ci s'élargit progressivement au fur et à mesure de la combustion. La poudre, qui se présente comme une masse solide, brûle avec une vitesse prévisible en produisant des gaz de combustion qui sont expulsés par la tuyère. La dimension de celle-ci est calculée de manière à maintenir la pression souhaitée dans la chambre de combustion tout en produisant la poussée attendue.
        Une fois allumé, un propulseur à ergol solide ne peut plus être arrêté, car la chambre de combustion contient tous les composants permettant d'entretenir le processus de combustion. Les propulseurs les plus sophistiqués permettent non seulement d'orienter la poussée mais peuvent également être éteints puis rallumés en modifiant la géométrie de la tuyère et en utilisant des évents. Il existe également des pulsoréacteurs qui brûlent par segments et qui peuvent être rallumés à la demande.
        Les propulseurs modernes peuvent comporter une tuyère orientable pour le guidage, de l'avionique, un système de récupération (parachute), des mécanismes d'autodestruction, un générateur auxiliaire d'énergie ainsi que des moteurs contrôlant l'orientation de la fusée.

        Le moteur-fusée à ergols liquides est plus performant, plus souple d'utilisation, généralement moins polluant mais plus coûteux et moins fiable. L'idée remonte au russe Constantin Tsiolkovski à la fin du XIXe. Ce moteur-fusée il agit en éjectant à grande vitesse la masse des gaz produits par la réaction chimique à l'opposé de la direction du déplacement souhaité et il peut fonctionner dans le vide car il ne prélève pas son comburant dans l'environnement extérieur.
        Les principaux organes d'un moteur à ergols liquides sont regroupés au sein du système d'alimentation, chargé d'amener les ergols à la pression attendue, et d'une chambre de combustion, dans laquelle la réaction chimique a lieu et produit les gaz qui sont éjectés vers une tuyère. Il est utilisé sur pratiquement tous les lanceurs qui mettent sur orbite satellites, sondes spatiales et vaisseaux spatiaux avec équipage. Contrairement aux moteurs à propergols solides, la poussée peut être modulée fortement au prix d'une complexité accrue. La mise au point des moteurs fusées à ergols liquides a débuté dans les années 1920 et a reçu une première application opérationnelle avec le missile allemand V2 (1943). Son emploi a été généralisé dans les missiles balistiques développé au cours des années 1950 puis s'est étendu aux lanceurs à la fin de la décennie. La mise au point des différentes configurations ainsi que le développement des moteurs les plus puissants s'est réalisée au cours des années 1960 et 1970.

        Sur ce schéma figurent : en noir les flux d'ergols, en rouge les zones de combustion, et sous forme de flèches rouges les flux de gaz chauds. Les deux rectangles noirs reliés par un trait sont les turbopompes.

        Une fois la fusée prête, il faut l'envoyer dans l’espace. Pour cela il faut bien évidement choisir une destination et le moment opportun pour pouvoir y accéder. Il ne faut pas attendre que les deux planètes soient face à face, d'une part car s'arracher verticalement de la Terre demande énormément d'énergie mais d'autre part car les corps se déplacent les uns par rapport aux autres, la planète visée ne sera donc plus forcément présente lorsque le vaisseau croisera sa trajectoire. Pour pallier à ce problème on détermine une fenêtre de tir en prenant en compte les mouvements des corps. Le vaisseau se dirige donc vers un endroit de l'espace inoccupé au départ, il coupera donc l'orbite de la planète visée pour pouvoir s'y poser.

        Une fois la trajectoire choisie, l'objet doit pouvoir s'échapper de l'attraction terrestre pour cela il a besoin d'une impulsion suffisante appelée vitesse de libération. Cette vitesse de libération est la vitesse minimale théorique que doit atteindre un corps à une altitude donnée pour s’éloigner définitivement de la Terre. En d’autres termes, c'est la vitesse que doit atteindre un objet pour s'échapper définitivement de l'attraction gravitationnelle d'un astre et s'en éloigner indéfiniment. Ce concept est soumis à l'attraction gravitationnelle car il est lié au phénomène des orbites spatiales, et au fait que certaines planètes ont perdu leur atmosphère.
        Mais, pour obtenir la vitesse de libération mathématiquement, il est difficile de la calculer en intégrant directement les lois de Newton. On utilisera la conservation de l’énergie mécanique, c'est-à-dire que l’énergie mécanique reste la même du début et à la fin de l’action.
        On rappelle que l’énergie mécanique est égale à la somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle, c'est-à-dire : Em = Ec + Ep. On pourra donc écrire : Eci + Epi = Ecf + Epf
L’énergie potentielle gravitationnelle peut s’écrire: Ep = - G (m.M)/d
-m représentant la masse du solide (kg),
-M représentant la masse de la planète (kg),
-G représentant la constante gravitationnelle (SI),
-d représentant la distance séparant le corps du centre de la planète dont on veut se libérer (m). Si l'objet est placé à la surface de l'astre, d est égal au rayon de ce dernier.
L'énergie cinétique a pour formule: Ec = 1/2 m.v²
m représentant la masse du solide (kg)
v représentant la vitesse de libération de l'objet (m.s-1)
Cependant à l'infini, la distance d est à égale à +infini donc l'énergie potentielle gravitationnelle est nulle.
De plus, à l'infini, on considère que la vitesse de l'objet est nulle puisqu'il est censé se stabiliser, donc l'énergie cinétique est égale à 0 à l'infini.
Donc, à l’infini, l’énergie mécanique est nulle, comme à l’état initial.
Ce qui nous donne: Eci + Epi = Ecf + Epf = 0
Soit 1/2 m.v²-G (m.M)/d=0, on en déduit : 1/2 m.v²=G(m.M)/d et v = √(2GM/d)
Ainsi pour la Terre:
M= 5,98.10^24 Kg
G= 6,67.10^-11 N.m².Kg-2
d= 6,38.10^6 m
v = √(2.5,98.10^24.6,67.10^-11)/(6,38.10^6 )
v= 1,12.10^4 m.s-1 = 11,2 Km.s-1.
Donc, pour qu'un objet soit mis en orbite au tour de la Terre, pour en faire un satellite par exemple, il doit échapper à l'attraction gravitationnelle de la Terre, et pour cela, dans sa propulsion, il doit atteindre la vitesse de 11,2 Km.s-1.

        Les premières fusées n'étaient pas guidées : une fois lancées, elles suivaient une trajectoire approximative. Mais si l'on veut qu’une fusée puisse placer un satellite sur orbite, il faut que ceux-ci soient pilotés, c'est-à-dire qu'ils puissent incurver leur trajectoire et contrôler leur roulis. Les informations concernant la trajectoire à prendre sont obtenues par un système de gyroscope dans la case à équipement de la fusée ou (technique abandonnée depuis les années 60) par radioguidage depuis le sol.
        Une solution simple est le guidage aérodynamique. Pour l'obtenir, on place à la base de la fusée au moins trois (généralement 4) ailerons à volet mobile, similaires à des dérives d'avion. On braque le volet, on y crée une portance dans un sens ou dans l'autre, perpendiculairement à l'axe de la fusée. Cette portance la fait tourner autour de son centre de gravité. Le contrôle aérodynamique permet aussi de contrôler le roulis. Mais, il n'est évidemment employable que dans l'atmosphère. Dans le cas d'un lanceur multi-étage, seul le premier étage peut donc l'employer, et encore s’il ne porte pas la fusée jusqu'à des altitudes trop grandes.
        La méthode préférée des ingénieurs consiste à dévier le flux des tuyères pour courber la trajectoire. Sur le V-2 ou le Scud, on obtenait cette dérivation par des dé-flecteurs en graphite. Cette solution très lourde fût vite remplacée par des tuyères orientables. Parfois, on emploie l'injection de liquide ou de gaz dans la tuyère pour dévier le flux de gaz. Si un étage comporte au moins deux tuyères, il n'y a qu'à les braquer différemment pour avoir un contrôle en roulis. S’il n'y en a qu'une seule, on a le choix entre ces diverses solutions :
- Des verniers, petits moteurs auxiliaires.
- L'emploi, pour les moteurs à ergols liquides, des gaz produits pour alimenter la turbo-pompe.
- Le contrôle aérodynamique (pour un premier étage).
- Un système de vannes sur les flancs de la fusée.
        Contrairement aux idées que nous suggèrent le cinéma et la littérature de science-fiction, un vaisseau spatial ne peut pas évoluer librement dès lors qu’il a franchi la barrière de l’atmosphère terrestre.
Pas de demi-tour, de virage brutal ou encore de stationnement : sous son aspect tranquille, la Terre tient fermement sous contrôle tous les habitants de sa banlieue et leur impose la loi à laquelle tout corps céleste est soumis : la gravitation.