L'équation de Tsiolkovsky expliquée
L'équation fondamentale de la propulsion spatiale, publiée en 1903 par Konstantin Tsiolkovsky, est : Δv = ve × ln(m0/mf), où ve est la vitesse d'éjection des gaz (ve = Isp × g0), m0 la masse initiale (avec carburant) et mf la masse finale (sans carburant). Le terme ln(m0/mf) est le logarithme naturel du rapport de masse. Cette équation montre que pour doubler le delta-v, il ne suffit pas de doubler le carburant : la relation est exponentielle.
L'impulsion spécifique (Isp)
L'impulsion spécifique mesure l'efficacité d'un moteur-fusée en secondes. Plus elle est élevée, moins il faut de carburant pour un delta-v donné. Les moteurs chimiques à propergol solide ont une Isp d'environ 260 s. Les moteurs à hydrogène/oxygène atteignent 450 s. Les moteurs ioniques (xénon) montent à 3 000 s et les moteurs VASIMR à 5 000 s. Le compromis est que les moteurs à forte Isp ont généralement une faible poussée, nécessitant des durées d'accélération très longues.
Le budget delta-v des missions spatiales
Chaque manoeuvre spatiale coûte un certain delta-v. Atteindre l'orbite basse terrestre (LEO) depuis le sol nécessite environ 9,4 km/s. Aller de LEO à une orbite de transfert vers Mars coûte 4,3 km/s supplémentaires. S'insérer en orbite martienne : 2,1 km/s. Atterrir sur Mars : 4,1 km/s. Le total cumulé pour atteindre la surface de Mars est d'environ 20 km/s. C'est pourquoi la majorité de la masse d'une fusée au décollage est du carburant.