Vulcain (moteur-fusée)

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Moteur Vulcain au Musée des Sciences et des Techniques de la Villette à Paris
Moteur Vulcain II

Vulcain est un moteur cryogénique propulsant l’Étage Principal Cryotechnique (EPC) du lanceur Ariane 5. Bien que mis en fonctionnement au sol pour des raisons techniques, il n'assure environ que 10 % de la poussée au décollage et sert principalement pendant la deuxième phase de vol, après le largage des deux boosters latéraux ou Étages d’Accélérations à Poudre (EAP ou P230), assurant eux 90 % de la poussée au décollage.

Plusieurs versions de ce moteur existent :

  • Vulcain pour la version générique d'Ariane 5.
  • Vulcain 2 pour la version ECA d'Ariane 5 (poussée plus importante).

Son initiale V lui vient de la ville de Vernon.

Développement[modifier | modifier le code]

Le développement de Vulcain a débuté en 1988 suite au lancement du programme Ariane 5 par les ministres européens lors de la conférence de La Haye.

Le développement du moteur Vulcain a été assuré par une coopération européenne. Le CNES a assuré la direction technique et financière du programme et a confié la maîtrise d'œuvre à Snecma Moteurs. L'ensemble du programme a été financé par l'Agence spatiale européenne.

Après des essais au niveau des composants, les essais moteurs ont débuté en avril 1990.

Au moment du premier vol, le , le moteur Vulcain cumulait une expérience de 285 essais, totalisant 85 000 secondes de fonctionnement. Conformément aux principes de l'ESA, de nombreux industriels sont impliqués dans le programme :

Technologie[modifier | modifier le code]

Le fonctionnement de Vulcain est fondé sur le cycle à flux dérivé, dans lequel les turbopompes qui alimentent la chambre sont entraînées par la combustion, dans un générateur de gaz, des ergols prélevés (3 %) sur le circuit principal. Le moteur complet mesure 3 mètres, pour un diamètre en sortie de tuyère de 1,76 m.

La poussée de 1 140 kN (114 tonnes) est obtenue par éjection à grande vitesse du débit de gaz (250 kg/s à 3300 °C sous une pression de 110 bars) produit par la combustion des ergols dans la chambre de combustion. L'oxygène liquide et l'hydrogène liquide sont introduits dans la chambre à travers un injecteur frontal consistant en 516 éléments coaxiaux. Du fait de la température élevée de combustion, la chambre est refroidie par circulation de l'hydrogène dans 360 canaux longitudinaux usinés dans la paroi.

Le divergent assure l'accélération des gaz en régime supersonique jusqu'à 4 000 m/s. Il est constitué de 456 tubes enroulés en hélice et refroidis par circulation d'hydrogène, selon le procédé de « dump cooling ».

L'alimentation du moteur en ergols à haute pression se fait par deux turbopompes indépendantes :

  • la turbopompe hydrogène tourne à 33 000 tr/min et développe une puissance de 12 MW. Elle est constituée d'une pompe à deux étages centrifuges associés à un inducteur axial et d'une turbine supersonique à deux étages ;
  • la turbopompe oxygène tourne à 13 000 tr/min, développe une puissance de 3,7 MW et fonctionne en dessous de sa première vitesse critique.

L'énergie nécessaire au fonctionnement des deux pompes est fournie par des gaz de combustion produits dans un générateur de gaz unique. Un fort excès d'hydrogène a pour effet de limiter la température des gaz, tout en les rendant réducteurs, de façon à protéger les aubes de turbine.

L'inclinaison de la tuyère est assurée par des vérins pneumatiques alimentés en hélium. Le gaz est stocké dans deux réservoirs de 300 Litres, construits en composite carboné et titane.

Le démarrage du moteur se fait au sol afin que son fonctionnement puisse être contrôlé avant l'allumage des étages à poudre du lanceur et son décollage. Il est assuré par un démarreur à poudre qui met en vitesse les turbopompes et ce sont des allumeurs pyrotechniques qui initient la combustion dans la chambre et le générateur.

La durée de vie maximale du moteur est de 6000 secondes et 20 démarrages.

Vulcain 2 est une optimisation de Vulcain, portant la poussée à 1350 kN. Sa hauteur atteint 3,60 m, pour un diamètre en sortie de tuyère de 2,15 m. La turbopompe à hydrogène développe 14 MW.

Spécifications techniques[modifier | modifier le code]

Version Vulcain 1 (Vulcain 1B) Vulcain 2[1]
Hauteur 3 m 3,45 m
Diamètre 1,76 m 2,10 m
Masse 1 686 kg 2 100 kg
Propergols Oxygène liquide (LOX) et Hydrogène liquide (LH2) dans un rapport 5,9:1 Oxygène liquide (LOX) et Hydrogène liquide (LH2) dans un rapport 6,1:1
Vitesse de rotation des turbopompes[2],[3] 11 000 à 14 800 tr/min (LOX) resp. 28 500 à 36 000 tr/min (LH2) 11 300 à 13 700 tr/min (LOX) resp. 31 800 à 39 800 tr/min (LH2)
Puissance de la turbopompe 2,0 à 4,8 MW (LOX) resp. 7,4 à 15,5 MW (LH2) 3,7 à 6,6 MW (LOX) resp. 9,9 à 20,4 MW (LH2)
Pression dans la chambre de combustion 100 bar (110 bar) 115 bar
Poussée dans le vide 1 120 kN (1 140 kN) 1 340 kN
Poussée au sol 815 kN 960 kN
Impulsion spécifique dans le vide 431,2 s 434,2 s
Rapport de section 45 58,3
Vitesse d'éjection dans le vide (SI) 4 228 m/s 4 228 m/s

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. [PDF] Caractéristiques techniques, sur le site du constructeur Snecma.
  2. [PDF]+(en) Spécifications de la turbopompe LOX par le fabricant Volvo, sur le site volvo.com
  3. [PDF]+(en)Spécifications de la turbopompe LHE par le fabriquant Volvo, sur le site volvo.com

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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