01
Éjecter du gaz vers l’arrière pour aller de l’avant
Le principe d’un moteur-fusée est simple : il projette du gaz chaud vers l’arrière, le plus vite possible. Or, quand vous poussez quelque chose dans un sens, vous êtes repoussé dans l’autre. C’est ce qui fait reculer le pompier qui tient une lance à incendie. Cette réaction s’appelle la poussée. Une fusée emporte tout ce qu’elle éjecte. Elle n’a donc pas besoin d’air pour prendre appui : elle fonctionne tout aussi bien dans l’espace. Le Raptor est le moteur que SpaceX construit pour sa fusée Starship. Il brûle du méthane liquide avec de l’oxygène liquide. La flamme les transforme en gaz chaud, sous une pression énorme. Tout en bas, la tuyère en forme de cloche éjecte ce gaz à plus de 3 km/s.
Le moteur que vous avez sous les yeux est le Raptor 3, la version la plus récente. En vol, il fournit 250 tonnes de poussée, et SpaceX l’a conçu pour atteindre 280. Il ne pèse pourtant que 1 525 kg : il pousse donc environ 160 fois son propre poids. Il mesure environ 3,1 m de haut pour 1,3 m de large. Trente-trois de ces moteurs s’allument ensemble sous le propulseur Super Heavy, le premier étage de la fusée. Chacun avale chaque seconde environ trois quarts de tonne de méthane et d’oxygène. Le propulseur entier en brûle environ 25 tonnes par seconde.
Ce modèle suit l’un des moteurs du centre pendant toute la phase propulsée d’un lancement. Il part de l’ordre de démarrage, sur le pas de tir, et va jusqu’à l’extinction des moteurs du propulseur. Certaines choses sont simplifiées. SpaceX n’a jamais montré l’intérieur du Raptor 3. La vue en coupe présente donc le cycle connu sous forme de schéma clair, et non la vraie tuyauterie. SpaceX n’a pas non plus publié la courbe de régime du moteur. Le modèle la déduit de la vitesse affichée pendant la retransmission du lancement. Le démarrage suit l’ordre habituel des étapes. Selon SpaceX, il dure environ 3 secondes en tout. Le moment exact de chaque étape, lui, est estimé par le modèle. Le jet change de forme comme le vrai, en plus simple. Faites glisser le curseur du temps pour parcourir le lancement, et le modèle pour le faire tourner.
À chaque nouvelle version, le Raptor a gagné en poussée et perdu du poids. Le Raptor 1 fournissait 185 tonnes de poussée et pesait 2 080 kg. Le Raptor 2 est passé à 230 tonnes, et son poids est descendu à 1 630 kg. Le Raptor 3 est conçu pour 280 tonnes et pèse 1 525 kg. Vu de l’extérieur, il est aussi bien plus épuré, car il a perdu son bouclier thermique. Les versions précédentes étaient enveloppées d’un bouclier qui protégeait les tuyaux et les câbles installés à l’extérieur. Sur le Raptor 3, la plupart de ces conduites passent désormais dans les pièces du moteur elles-mêmes. Beaucoup de ces pièces sont imprimées en 3D. Il n’y avait plus rien à protéger : le bouclier a pu disparaître.
02
Deux liquides glacés
Le moteur d’une voiture puise son oxygène dans l’air. Une fusée, elle, monte là où il n’y a presque plus d’air : elle doit donc emporter le sien. Le Raptor brûle du méthane et de l’oxygène, que l’on appelle ses ergols. À température ambiante, ce sont deux gaz, et un gaz prend bien trop de place pour être transporté. Les deux voyagent donc sous forme liquide, refroidis sous leur point d’ébullition. Pour le méthane, c’est 111 K, soit environ −162 °C. Pour l’oxygène, c’est 90 K, soit environ −183 °C. Et plus un liquide est froid, plus il est dense : on en loge donc davantage dans le même réservoir.
Le moteur ne brûle pas les deux en quantités égales. Pour chaque kilo de méthane, il consomme environ 3,6 kg d’oxygène. En masse, l’oxygène représente donc près des quatre cinquièmes du mélange. Voilà pourquoi le côté oxygène du moteur est le plus imposant, avec l’entrée la plus large et la plus grosse pompe. À pleine puissance, un seul moteur avale chaque seconde environ 593 kg d’oxygène et environ 165 kg de méthane. Déplacer autant de liquide aussi vite exige des pompes très puissantes : c’est le sujet du chapitre suivant.
Avant de brûler, le méthane fait un détour. À la sortie de sa pompe, il passe en grande partie dans une multitude de canaux très fins. Ces canaux traversent les parois de la tuyère et de la chambre. En chemin, ce liquide froid absorbe la chaleur. C’est ce qui empêche le métal de fondre, tout près d’une flamme d’environ 3 500 K. Les ingénieurs appellent cela le refroidissement régénératif. Cette chaleur n’est pas perdue : elle réchauffe le méthane avant qu’il ne brûle. L’oxygène, lui, prend le chemin le plus court, directement de sa pompe à sa préchambre. Touchez un ergol pour suivre son trajet dans le moteur.
Certains constructeurs, dont SpaceX, vont encore plus loin. Ils refroidissent les deux liquides bien en dessous de leur point d’ébullition, presque jusqu’à les geler. C’est ce qu’on appelle la densification. En refroidissant, un liquide se contracte un peu : le même réservoir en contient alors davantage. En général, on y fait tenir environ un dixième d’ergols en plus, sans agrandir la fusée. Mais la marge est étroite. Le méthane gèle vers 91 K, à peine 20 degrés sous la température où il bout. SpaceX n’a pas précisé jusqu’à quelle température elle refroidit les ergols de Starship.
03
Deux pompes, deux petits feux
Chaque seconde, le Raptor doit injecter environ trois quarts de tonne d’ergols dans une chambre où la pression dépasse 300 bar. C’est plus de 300 fois la pression de l’air qui vous entoure. Pour pousser aussi fort sans aide, les réservoirs devraient être si solides qu’ils pèseraient bien trop lourd. Ce sont donc des pompes qui font ce travail. Chaque pompe partage son axe avec une turbine, une roue à aubes que du gaz chaud fait tourner. Ensemble, la pompe et la turbine forment une turbopompe. Le Raptor en compte deux : une grande pour l’oxygène et une plus petite pour le méthane.
Pour tourner, les turbines ont besoin de gaz chaud. Ce gaz vient de deux petits feux appelés préchambres, une pour chaque turbopompe. Presque tout l’oxygène traverse la préchambre riche en oxygène, où brûle juste un peu de méthane. Le gaz qui en sort est chaud, mais reste surtout composé d’oxygène. C’est lui qui fait tourner la pompe à oxygène. La préchambre riche en méthane fait l’inverse : presque tout le méthane la traverse, et un peu d’oxygène y brûle. Son gaz entraîne la pompe à méthane. Les deux gaz continuent ensuite jusqu’à la chambre principale, où ils finissent de brûler ensemble. Rien n’est rejeté.
Ce cycle s’appelle la combustion étagée à flux intégral, car chaque goutte des deux ergols traverse une turbine avant de brûler. Il offre trois grands avantages. D’abord, avec autant de gaz pour les entraîner, les turbines peuvent rester plus froides. Elles tournent à quelques centaines de degrés au lieu de plus de 3 000, et durent donc plus longtemps. Ensuite, les pompes peuvent pousser plus fort. La pression monte, et un moteur plus petit fournit plus de poussée. Enfin, chaque axe n’est en contact qu’avec un seul ergol. Il n’y a donc pas besoin de joint délicat pour tenir l’oxygène chaud à l’écart du carburant. La scène montre le démarrage au ralenti : les pompes se lancent d’abord, puis les préchambres s’allument, et enfin la chambre principale. Touchez un moteur ci-dessous pour comparer son cycle à celui du Raptor.
Le plus difficile à maîtriser, c’est le côté oxygène. Un gaz chaud composé surtout d’oxygène ronge la plupart des métaux, et la turbine à oxygène doit tourner en plein dedans. Pour y résister, SpaceX a mis au point ses propres alliages, comme celui qu’elle appelle SX500. L’idée du flux intégral, elle, n’est pas nouvelle. L’Union soviétique a construit le RD-270 dans les années 1960 et l’a essayé au banc. Les États-Unis ont testé l’Integrated Powerhead Demonstrator au milieu des années 2000. Aucun des deux n’a jamais quitté le sol. Le 25 juillet 2019, le Raptor est devenu le premier moteur à flux intégral à voler. Ce jour-là, un seul Raptor a soulevé le véhicule d’essai Starhopper à environ 20 m de haut.
04
Là où brûle le grand feu
Les deux gaz chauds se rejoignent à l’injecteur principal, une plaque située en haut de la chambre de combustion. Ils s’y mélangent et brûlent à environ 3 500 K, soit plus de 3 200 °C. À l’intérieur, la pression dépasse 300 bar. En 2023, un Raptor 3 a même atteint le record de 350 bar au banc d’essai. La chambre elle-même est étonnamment petite. L’essentiel de la hauteur du moteur revient aux pompes, au-dessus, et à la tuyère, en dessous.
Sous la chambre, les parois se resserrent jusqu’au col, large d’environ 22 cm, à peu près le diamètre d’une assiette. Tout le gaz doit passer par cet étranglement, et il accélère en le franchissant. Au col même, il atteint la vitesse du son. Puis les parois s’écartent à nouveau pour former la tuyère, et le gaz continue d’accélérer. Quand il quitte le moteur, il file à plus de 3 km/s, environ dix fois la vitesse du son dans l’air.
C’est l’endroit le plus chaud de tout le moteur. Les parois ne tiennent que parce que du méthane froid circule à toute vitesse dans les canaux qui les parcourent. La combustion, elle, est très propre, car les deux ergols arrivent déjà sous forme de gaz. Quand du gaz rencontre du gaz, aucune goutte de liquide ne doit d’abord se briser puis s’évaporer. Les deux se mélangent donc vite et brûlent entièrement. Les mesures ci-dessous montrent ce qui entre dans la chambre chaque seconde, et à quelle vitesse les gaz en sortent.
Comment allumer un feu à plus de 300 bar ? Pour les deux préchambres, on utilise de petits allumeurs à torche. Elon Musk les a comparés à des bougies d’allumage renforcées. La chambre principale, en revanche, n’a plus aucun allumeur depuis le Raptor 2. Les gaz qui arrivent des préchambres sont si chauds et si denses qu’ils s’enflamment dès qu’ils se rencontrent. Selon les ingénieurs, ils se comportent comme s’ils étaient hypergoliques. C’est le nom des ergols qui prennent feu spontanément au contact l’un de l’autre. Une pièce en moins, c’est une panne possible en moins.
05
Une tuyère pour l’air dense et l’air raréfié
La tuyère est la cloche placée sous la chambre. En descendant dans cette cloche qui s’élargit, le gaz se détend, se refroidit et accélère. Autrement dit, la tuyère transforme la pression et la chaleur en vitesse, et c’est la vitesse qui crée la poussée. Mais une cloche n’a la taille idéale que pour une seule pression d’air. Trop courte, elle laisse sortir le gaz avant qu’il ait donné toute sa poussée. Trop large, elle laisse l’air extérieur s’y engouffrer. Celle du Raptor est dimensionnée pour le niveau de la mer, là où le propulseur commence sa montée.
Au niveau de la mer, les gaz du Raptor sortent de la cloche à environ 0,9 bar. La pression de l’air ambiant est un peu plus forte : environ 1 bar. L’air comprime donc le jet vers l’intérieur. Dans ce jet comprimé, des ondes de choc se croisent en zigzag d’un bord à l’autre. Là où elles se rencontrent, le gaz s’échauffe et se met à briller. Ces taches lumineuses s’appellent des diamants de choc. Elles restent en place pendant que le gaz les traverse à toute vitesse. On dirait les remous immobiles d’un torrent.
Pendant la montée, l’air se raréfie et comprime de moins en moins le jet. Celui-ci s’évase, et les diamants s’étirent puis s’effacent. À régime égal, le moteur pousse alors environ 5 % plus fort, soit à peu près 14 tonnes de plus. Son impulsion spécifique indique combien de poussée il tire d’une quantité donnée d’ergols. Elle passe d’environ 330 s à environ 350 s. Dès 30 km de hauteur, le moteur a déjà gagné presque tout cet écart. Faites glisser le curseur pour voir le moteur à n’importe quelle altitude pendant l’ascension. Autour du Max-Q, la poussée baisse un moment : c’est le moteur qui réduit son régime, l’air n’y est pour rien.
Le vaisseau posé sur le propulseur emporte aussi une autre version, le Raptor Vacuum, ou RVac. Sa cloche est bien plus large. Dans l’espace, aucun air ne vient comprimer le jet. Une plus grande cloche peut donc détendre davantage le gaz, et en tirer environ 380 s d’impulsion spécifique. Mais le RVac ne peut pas tourner à pleine puissance au niveau de la mer. L’air dense remonterait dans la cloche et décollerait l’écoulement de la paroi. La tuyère serait alors secouée de côté, assez fort pour être endommagée. Voilà pourquoi le propulseur vole avec des tuyères adaptées au niveau de la mer, tandis que le RVac attend l’espace.
06
Trente-trois moteurs, un lancement
Le Super Heavy porte 33 Raptor, disposés en trois couronnes : 3 au centre, 10 autour d’eux et 20 sur le pourtour. Les 13 moteurs intérieurs servent à diriger la fusée. Chacun est suspendu à un cardan, une articulation placée à son sommet. Deux vérins peuvent l’incliner jusqu’à environ 15 degrés. Incliner un moteur, c’est incliner sa poussée : toute la fusée tourne alors. Les 20 moteurs extérieurs, eux, sont fixes. Le moteur de ce modèle est l’un des trois du centre.
Les moteurs démarrent environ 3 secondes avant le décollage. La fusée vérifie que chacun fonctionne correctement. Alors seulement, à T−0, les pinces qui la retiennent au sol la libèrent. Elle prend ensuite de la vitesse dans l’air dense des basses couches. Entre 45 et 60 secondes après le décollage survient le Max-Q. C’est le moment où l’air appuie le plus fort sur la fusée. Les moteurs réduisent alors leur poussée un moment, pour ménager la structure. SpaceX n’a pas précisé de combien. La courbe affichée ici est donc une estimation du modèle, tirée de la retransmission.
Après le Max-Q, les moteurs repassent à plein régime, et l’air qui se raréfie leur apporte un surcroît de poussée. Vers T+2:20, le propulseur se trouve à environ 52 km d’altitude et file à environ 5 800 km/h. Ses moteurs s’éteignent alors. Le vaisseau, au-dessus, allume à son tour ses six moteurs, avant même que les deux étages se séparent. C’est ce qu’on appelle la séparation à chaud. Chaque Raptor 3 peut se rallumer en vol. Le propulseur est donc capable de relancer ses moteurs pour revenir à son point de départ. Touchez un moment ci-dessous pour le retrouver sur le graphique.
Le Raptor 3 a fait ses débuts lors du vol 12, le 22 mai 2026. Jusqu’ici, le plus difficile a été de rallumer les moteurs en vol. Ce jour-là, 20 moteurs sur 28 ont redémarré pour l’allumage de retour, la manœuvre qui fait faire demi-tour au propulseur. Pour l’allumage d’atterrissage, un seul moteur est reparti. Le démarrage au sol est surveillé de tout aussi près. Le 16 juillet 2026, la première tentative du vol 13 s’est interrompue d’elle-même à T−0. Certains moteurs n’avaient pas atteint leur régime. La fusée est restée en sécurité sur le pas de tir.