Le canon SHARP.    L'hydrogène est comprimé au sommet du tube, la partie mise à feu est au fond.

    Quand Jules Verne écrivait en 1865 "De la Terre à la Lune" il prévoyait un canon vertical géant, arrimé au sol pas trop loin de l' actuel Cap Canaveral. Dans son roman, les astronautes étés installés à l'intérieur d'un obus géant, qui a heureusement manqué la Lune et les a ramené sans problème à la Terre. Beaucoup de détails du livre de J. Verne contredisent la physique et aucun astronaute ne pourrait réchapper d'un tel lancement : mais atteindre l'espace avec ce genre de canon n'est pas impossible.

    Supposons que l'obus, à l'intérieur du canon, accélère au taux constant de a mètres /seconde ². D'après les équations sur les mouvements ou l'accélération a est constante, en particulier si elle égale g ≅ 10 m/sec²)(déjà développé dans la leçon sur la chute des objets ), si t (en secondes) est le temps ou il y a une accélération, la vitesse finale (en m/seconde) est

v = at

Et la distance couverte, en mètres

s = at²/2

D'après la première équation, t = v/a. En remplaçant t = v/a de la première équation dans la deuxième, on obtient, après quelques manipulations :

v² = 2as

    Supposons que la longueur du fût du canon soit de un mille ( ≅ 1600 mètres) et que la vitesse finale v, celle de l'obus à la sortie, corresponde à la vitesse d'évasion à la surface de la Terre

v = v_esc. = 11,300 m/sec
v ² ≈ 128,000,000 (m/sec)²

Un calcul rapide donne :

a ≈ 40,000 m/s² ≈ 4000 g

    La force qui s'exercerait sur l'obus et tous les passagers serait 4000 fois plus forte que la gravité ! Une personne convenablement attachée, comme un astronaute dans la navette spatiale, allongé, peut supporter des accélérations jusqu'à environ 6 g. Le doublement de ce chiffre peut faire perdre conscience et toute accélération plus importante peut rompre organes et vaisseaux sanguins. Non ! : un canon n'est pas le moyen raisonnable pour envoyer les gens dans l'espace. Par contre, des charges inertes (eau, alimentation, carburant etc.) pourraient en principe être envoyées dans l'espace par un énorme " super -canon ".

    Mais l'obus du canon ne peut pas être plus rapide que les molécules du gaz qui le poussent dans le fût. La vitesse de ces molécules dépend de leur température et peut être calculée par les lois de la physique. Si on compare différents gaz, on constate que pour n'importe quelle température, l' énergie (1/2) mv² de leurs molécules --pas leur vitesse! --est toujours la même. donc si, pour une température donnée, la masse m de la molécule d'un gaz est plus petite le déplacement est plus rapide .

    Pour l'envoi de charge utiles dans l'espace, les molécules produites par la poudre sans fumée des canons militaires sont trop lourdes et donc, trop lentes. La molécule la plus légère et donc de meilleur rendement, celle qui (à une température donnée) a la vitesse la plus grande, est l' l'hydrogène. Malheureusement, aucun explosif ne peut être produit de façon pratique avec le gaz hydrogène.

    La solution est de construire un canon à deux fûts, l'un auxiliaire et l'autre principal dans lequel la charge est accélérée (voir le dessin). Les deux fûts sont perpendiculaires et sont séparés par une paroi qui vole en éclats quand la pression exercée sur elle devient suffisamment importante.

    A la place d'un obus, le fût auxiliaire comporte un lourd piston ; Le volume entre celui ci et la paroi de séparation est rempli d'hydrogène. Quand la charge explosive est mise à feu de l'autre côté du piston, celui ci parcourt le fût auxiliaire et comprime et chauffe l'hydrogène. Arrive le moment ou la pression de l'hydrogène chaud est suffisante pour briser la paroi.Il envahit alors le fût principal et propulse la charge qui y est placée. Celle ci n' est donc pas poussée par les gaz de l'explosion, mais par l'hydrogène chaud et comprimé, dont les molécules légères sont suffisamment rapides pour ce travail.

    Un canon de ce type a été vraiment construit, nommé SHARP--HARP, pour "High Altitude Research Project", ( en fait un projet antérieur : voir la section #30a), et S pour "Super ". SHARP est utilisé par le laboratoire des armes de Livermore, près de San Francisco, pour étudier le vol des véhicules spatiaux et des projectiles, jusqu'à 8-9 fois la vitesse du son. Son piston est poussé non pas par l'explosion d'une poudre, mais par un mélange de méthane et d'air, comprimé à environ 55 fois la pression atmosphérique puis enflammé. Le piston pèse une tonne, le fût principal est long de 155 pieds (47 mètres) et le projectile apparaît dans une grande flamme d'hydrogène qui brûle dans l'atmosphère..

    Si impressionnant que soit SHARP, ses projectiles n'iraient pas loin dans l'espace, même si son fût n'était pas horizontal, mais vertical, comme le canon de Jules Verne. Leur vitesse est insuffisante pour obtenir un mouvement continu dans l'espace, qui est de 24 fois la vitesse du son, en orbite circulaire à basse altitude, et 34 fois pour échapper complètement à la gravité de la Terre. John Hunter, le concepteur de SHARP rêve d'une beaucoup plus grande version, accrochée à un versant de montagne, et de charges tirées dans l'espace. Mais même avec un canon si gigantesque, les problèmes persisteraient : même au sommet de la plus haute montagne, la résistance de l'air, reste toujours assez forte pour amputer une partie de la vitesse du projectile, dont il faudrait équiper l'avant d'un bouclier thermique.

La charge comprend forcément une fusée. Mais atteindre la vitesse orbitale (avec une marge supplémentaire pour la résistance aérienne!) est difficile pour un canon seul. Et de plus, toute orbite est une ellipse, selon la première loi de Kepler, avec un des foyers au centre de la Terre.

    Si la charge est lancée d'un point de la surface de la Terre, son orbite rencontre nécessairement de nouveau le sol à un point symétriquement placé B. Un réajustement de l'orbite est donc essentiel. Il reste qu'un canon capable de vitesses moindres serait un outil rentable pour étudier l'atmosphère supérieure, entre 50 et 130 km. Les scientifiques ont des difficultés à atteindre cette altitude, qui est trop haute pour les ballons, mais trop basse pour les satellites. Des fusées ont été employées à cette fin, mais un canon pourrait être meilleur marché, comme l'a démontré le projet HARP dans les années 1960.

    Il y a aussi des projets pour accélérer une charge utile par des forces magnétiques sur un "canon à rails" construit avec des rails conducteurs parallèles, soumis à un très fort courant électrique. Les mêmes problèmes s'appliquent ici aussi, plus celui du stockage d'une grande quantité d'énergie électrique et de son impulsion soudaine. Cette technologie pourrait être appliquée à une utilisation sur la Lune, dans un avenir éloigné (comme Arthur Clarke l'a suggéré dans une de ses histoires), mais elle est encore moins au point que celle du canon spatial.

        Sur ce sujet, l' accélération électromagnétique, un excellent site, ici .

Post-scriptum - Scramjets

    Ce type de moteur existe, appelé "ramjets." Le problème (simplifié) est que l'énergie nécessaire à la production d'un atome d'oxygène, doit s'ajouter à celle nécessaire à obtenir la vitesse de la fusée, ce qui coûte de l'énergie supplémentaire. Les "scramjet"( ou ramjets supersoniques ) brûlent l'oxygène "sur place" et peuvent être utilisés jusqu'à environ 8-9 fois la vitesse du son, ce qui est assez correct pour la première étape d'une fusée. Mais comme cela ne fonctionne qu'après avoir atteint une très grande vitesse, comment fait on ?

    "Aviation Week" (p. 40, 27 August 2001) explique comment "un canon à gaz léger", semblable à celui décrit ci-dessus, aide à résoudre ce problème. Ici, on utilise un canon de l'armée de l'air EU, avec un fût long de 120 pieds (36 mètres) et un calibre de 4 "(10 cm). Un petit modèle de scramjet, carburant à l'éthylène sous haute pression, est tiré à 7.1 fois la vitesse du son ( Mach 7.1) et est filmé en vol, avant de s'écraser sur un dispositif en acier plat au bout du laboratoire. Ainsi, ces canons à gaz aident au développement du matériel spatial, même si ce ne sont pas en eux même des instruments de lancement.