thumb|alt=La propulsion spatiale est un champ continuel, des tests de fonctionnement des moteurs, comme ici celui du moteur principal de la navette spatiale, sont nécessaire avant chaque lancement.|Prise de vue en détail du Space Shuttle Main Engine durant un test au banc au John C. Stennis Space Center dans le comté de Hancock (Mississippi).
La propulsion spatiale comprend tout système permettant d’accélérer un objet dans l'espace. Cela inclut les moyens de propulsion des véhicules spatiaux (fusées, satellites, sondes) ou les systèmes de commande d'attitude et d'orbite.
Différentes méthodes de propulsion spatiale existent, chacune ayant ses défauts et ses avantages. La propulsion spatiale est un domaine de recherche actif, pourtant la plupart des véhicules spatiaux utilisent actuellement le même type de propulsion s'appuyant sur l'éjection de gaz à grande vitesse en arrière du véhicule au travers d'une tuyère. Ce genre particulier de propulsion est appelé moteur-fusée.
La plupart des vaisseaux spatiaux actuels utilisent des moteurs-fusées chimiques (à propergol solide ou à ergols liquides) pour le lancement même si certains systèmes (comme le lanceur Pegasus ou le vaisseau SpaceShipOne) ont recours partiellement à un lancement aéroporté. La plupart des vaisseaux spatiaux utilisent un système de propulsion chimique simple mais fiable mono-ergol ou un système de propulsion électrique pour le maintien à poste. Des actionneurs gyroscopiques ou roues d'inertie peuvent également être utilisés pour le contrôle d'attitude. Les satellites soviétiques utilisent la propulsion électrique depuis des décennies, une technologie qui commence seulement à devenir fréquente dans les pays occidentaux en particulier pour le maintien à poste nord-sud des satellites géostationnaires et la rehausse de leur orbite. Les sondes interplanétaires utilisent pour la plupart des moteurs chimiques, cependant quelques essais d'utilisation de moteur ionique (Dawn et Deep Space 1) ou à effet Hall ont démontré leur efficacité.
Besoin
Les satellites artificiels doivent être placés sur orbite de manière précise par un lanceur. Une fois sur leur orbite, ils doivent la plupart du temps contrôler leur attitude de manière à être correctement pointés vers la Terre, le Soleil ou d'autres astres dans le cas de missions astronomiques. Les satellites en orbite autour d'astres comportant une atmosphère doivent également compenser la traînée provoquée par l'atmosphère résiduelle. Il est ainsi nécessaire d'effectuer des petites corrections d'orbite régulièrement pour pouvoir rester sur orbite basse pour une longue période.. Beaucoup de satellites modifient également leur orbite au cours de leur mission pour remplir leurs objectifs ce qui demande également un système de propulsion spatiale. Ces changements dépendent des besoins . Dans la plupart des cas, la fin des réserves de carburant du système propulsif est synonyme de fin de vie pour l'engin spatial. Si cette fin de vie reste majoritaire, une nouvelle tendance de prolongation de fonctionnement commence à voir le jour. Le , un satellite, MEV-1, s’est amarré pour la première fois à un autre satellite, Intelsat-901, en orbite géostationnaire. MEV-1 pour Mission Extension Vehicle-1 (véhicule d’extension de mission) est conçu pour accoster des satellites géostationnaires dont le carburant est presque épuisé. Une fois connecté à son satellite client, il utilise ses propres propulseurs et son approvisionnement en carburant pour prolonger la durée de vie du satellite..
Les engins spatiaux qui voyagent au-delà de l'orbite terrestre ont également besoin de se propulser dans l'espace. Une fois lancé depuis la Terre comme les satellites habituels, ces vaisseaux interplanétaires doivent utiliser un système de propulsion pour quitter l'orbite terrestre et naviguer dans le Système solaire. Les sondes spatiales corrigent habituellement leur trajectoire par de petits ajustements successifs au cours de leur croisière . Durant le transit entre deux planètes les sondes poursuivent leur trajectoire sans propulsion. La trajectoire la plus efficace en termes de propulsion entre deux orbites elliptiques sur un même plan est appelée orbite de transfert de Hohmann. Partant d'une orbite circulaire, une courte poussée dans la direction de son mouvement entraîne le vaisseau sur une orbite elliptique. Une autre poussée à l'apoapside permet de retrouver une deuxième orbite circulaire, d'altitude plus élevée, où il accélère à nouveau pour sortir de l'orbite, complétant ainsi le transfert. Certaines méthodes exotiques comme l'aérofreinage sont parfois utilisées pour réaliser les ajustements finaux d'une trajectoire.
thumb|right|alt=Le concept de voile solaire permettrait, selon ses promoteurs, des voyages interstellaires|Vue d'artiste d'une voile solaire.
Certaines méthodes de propulsion comme les voiles solaires produisent une poussée très faible mais continue.. Un véhicule interplanétaire utilisant de tels systèmes de propulsion ne peut utiliser une orbite de transfert de Hohmann, basé sur le caractère impulsionnel de l'accélération donnée en début et en fin de transfert. Par conséquent les systèmes propulsifs de faible poussée utilisent des stratégies complexes de direction de la poussée. Le concept de voile solaire a été démontré par le projet japonais IKAROS.
Les vaisseaux interstellaires auront besoin d'autres méthodes de propulsion. Aucun vaisseau de ce type n'a été construit même si de nombreux concepts ont été proposés. Les distances astronomiques séparant les étoiles entre elles requièrent des vitesses très importantes pour que le voyage se déroule dans des délais raisonnables. Accélérer à de telles vitesses puis ralentir à l'approche de la destination sera un défi pour les concepteurs de tels vaisseaux..
La force de gravité à la surface de la Terre est relativement élevée. La vitesse nécessaire pour pouvoir quitter le champ d'influence gravitationnelle de la Terre est environ de . Les humains étant habitués à une accélération gravitationnelle de soit environ , un système de propulsion idéal pour simuler les conditions de gravité terrestre accélérerait donc à . Le corps humain supporte néanmoins des accélérations plus fortes pour des périodes de temps réduites. Cette gravité artificielle permettrait en outre de résoudre les problèmes liés à la micropesanteur comme la nausée ou les pertes osseuses et musculaires.
Méthodes de propulsion vignette|redresse=1.5|Comparaison des vitesses d'éjection et des ratios poussée sur masse des différentes catégories de propulsion spatiale. Les fusées utilisent principalement l'énergie chimique. Les autres modes de propulsion soit ne peuvent être mis en œuvre que lorsque l'engin spatial a pratiquement échappé au champ de gravitation (rapport poussée sur masse < 1 ou vitesse d'éjection trop faible) soit n'ont pas été mis en œuvre (fission, fusion, VASIMR) pour différentes raisons.
Les méthodes de propulsion spatiale peuvent être classées en fonction de la façon dont elles accélèrent la masse propulsive. Il existe également des méthodes particulières dépendant des phases du vol, comme le lancement, la rentrée ou encore l’atterrissage.
Moteur à réaction
thumb|Le moteur RD-180 lors d'un tir en banc d'essai.
Un moteur à réaction utilise l'expulsion d'une masse propulsive pour assurer son déplacement, cela en s'appuyant sur la troisième loi de Newton.
Impulsion spécifique et vitesse d'éjection
L'objectif d'un système de propulsion spatiale est d'accroître la vitesse v d'un engin spatial. Accélérer un objet est d'autant plus difficile que sa masse est importante ; aussi la quantité de mouvement, ou impulsion, p = m v, plutôt que la vitesse est utilisée pour caractériser ce phénomène. Ce qu'on appelle couramment dans le domaine du spatial une "impulsion" est en fait une variation de la quantité de mouvement..
Si le système de propulsion est utilisé dans le cadre d'un lancement, la poussée (donc une force) qu'il développe doit dépasser le poids du vaisseau afin que la résultante d'accélération soit positive.. Par contre, une fois en orbite, toute poussée, aussi faible soit-elle, provoquera une variation de la quantité de mouvement.
La modification de la quantité de mouvement au cours du temps est une force (principe fondamental de la dynamique) tandis qu'une accélération est une modification de la vitesse au cours du temps. Pour modifier sa vitesse, un vaisseau peut, soit maintenir une accélération faible sur une longue période, soit accélérer fortement sur une courte durée. De la même manière, pour modifier sa quantité de mouvement, le vaisseau peut subir une faible poussée pendant longtemps, ou une forte poussée pendant une courte durée. Cela implique que, lors de manœuvres dans l'espace, une méthode de propulsion qui provoque une faible accélération pendant longtemps permet d'obtenir la même variation de quantité de mouvement qu'une méthode de propulsion provoquant une forte accélération pendant un temps court. À nouveau, si le vaisseau lutte contre la gravité de la planète (s'il en décolle, par exemple), une poussée au moins égale à la gravité est nécessaire.
Si certains systèmes de propulsion spatiale utilisent des champs magnétiques ou la lumière comme intermédiaire dans cette transmission de quantité de mouvement, la plupart communiquent une quantité de mouvement à une masse éjectée dans le sens inverse de la poussée.
Le bilan de quantité de mouvement s'écrit pour l'engin :
où dP est variation de quantité de mouvement et v la vitesse d'éjection de la matière.
Cette variation se traduit, en utilisant la deuxième loi de Newton appliquée sur l'engin, par une force s'exerçant sur l'engin :
où F est la force appliquée sur l'engin et est le débit de matière éjectée.
Cette masse éjectée est appelée masse propulsive en opposition aux masses utile et de structure qui comprennent la masse du vaisseau ne servant pas à accélérer.
Pour qu'un moteur à réaction fonctionne, il lui faut donc deux éléments : de la masse propulsive et de l'énergie. La variation de quantité de mouvement du vaisseau lors de l'éjection d'une particule de masse m à une vitesse v sera donc égale à la quantité de mouvement transmise à la particule, soit m v. L'énergie cinétique de la particule quant à elle est de m v2 / 2 et doit être fournie par le système propulsif. Tous les systèmes de propulsion chimique utilisent la combustion comme source d'énergie. Les produits de cette combustion sont ensuite relâchés, devenant masse propulsive. Dans un système de propulsion spatiale électrique, l'électricité est utilisée pour accélérer des ions formant la masse propulsive. Ces systèmes ont donc besoin d'énergie électrique pour fonctionner. Celle-ci peut être fournie par des panneaux solaires photovoltaïques ou par des réacteurs nucléaires.
Lors de la conception de systèmes de propulsion spatiale, les concepteurs concentrent souvent leurs efforts sur la diminution de la masse propulsive emportée. La masse propulsive doit en effet accompagner le vaisseau tant qu'elle n'est pas utilisée et est perdue irrémédiablement une fois consommée. La réduire au maximum permet donc de minimiser la taille et la masse des réservoirs. Une manière de déterminer la quantité de mouvement que l'on peut obtenir à l'aide d'une masse propulsive donnée est l'impulsion spécifique, qui équivaut à la quantité de mouvement obtenue par unité de poids de carburant sur Terre (habituellement notée ). Elle se mesure en secondes.
L'impulsion spécifique s'écrit donc ainsi :
où F est la poussée fournie par la propulsion, le débit de matière éjectée et g0 l'accélération due au champ de gravité, supposé constant à proximité de la surface d'une planète. La dimension de Isp est ainsi un temps qui s'exprime en secondes.