Moteur-fusée à ergols liquides

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher

Le moteur-fusée à ergols liquides est un type de moteur-fusée utilisant des ergols liquides pour son fonctionnement. Comme les moteurs-fusées à propergol solide ou hybride, ce type de propulsion exploite l'énergie chimique contenue dans les ergols qui est libérée soit par réaction exothermique d'un comburant et d'un combustible soit par décomposition. Comme tous les moteurs-fusées, il agit en éjectant à grande vitesse la masse des gaz produits par la réaction chimique à l'opposé de la direction du déplacement souhaité et il peut fonctionner dans le vide car il ne prélève pas son comburant dans l'environnement extérieur. Les principaux organes d'un moteur à ergols liquides sont regroupés au sein du système d'alimentation chargé d'amener les ergols à la pression attendue et d'une chambre de combustion dans laquelle la réaction chimique a lieu et produit les gaz qui sont éjectés vers une tuyère. Il est utilisé sur pratiquement tous les lanceurs qui mettent sur orbite satellites, sondes spatiales et vaisseaux spatiaux avec équipage.

De nombreuses configurations de moteurs-fusées coexistent : la plus simple, utilisée pour des poussées faibles, repose sur un système d'alimentation par pressurisation des réservoirs d'ergols. Les plus complexes, qui permettent d'obtenir des poussées pouvant aller jusqu'à près d'un millier de tonnes, ont recours à des turbopompes tournant à très grande vitesse et brulent des ergols cryotechniques comme l'oxygène ou l'hydrogène liquide. Contrairement aux moteurs à propergols solides, la poussée peut être modulée fortement au prix d'une complexité accrue. La mise au point des moteurs-fusées à ergols liquides a débuté dans les années 1920 et a reçu une première application opérationnelle avec le missile allemand V2 (1943). Son emploi a été généralisé dans les missiles balistiques développé au cours des années 1950 puis s'est étendu aux lanceurs à la fin de la décennie. La mise au point des différentes configurations ainsi que le développement des moteurs les plus puissants s'est réalisée au cours des années 1960 et 1970.

Historique[modifier | modifier le code]

C'est dans les années 1900 que le pionnier russe de l'astronautique Constantin Tsiolkovski émet l'idée d'utiliser pour la première fois ce type de moteur pour l'exploration spatiale. Au début, dans les années 1920-1940, quelques pionniers testèrent plusieurs modèles de ce type de moteur. Parmi eux, on peut citer Pedro Paulet, qui fit fonctionner le premier ce type de moteur, Robert Goddard et Friedrich Tsander, puis depuis les années 1930 Valentin Glouchko issus du GIRD. En Allemagne, durant la Seconde Guerre mondiale, Wernher von Braun, Walter Dornberger qui développèrent les redoutables missiles V2. Durant la Guerre froide, la compétition entre les deux blocs permet l'apparition de moteurs et de véhicules de plus en plus élaborés avec les retombées que l'on sait : Spoutnik, Programme Apollo, Navette spatiale, Station spatiale internationale, Soyouz, etc.

Aujourd'hui, pratiquement tous les véhicules spatiaux, quelques avions expérimentaux et plusieurs missiles balistiques utilisent ce genre de moteur.

Principe de fonctionnement[modifier | modifier le code]

moteur-fusée à ergols liquides
Schéma de fonctionnement d'un moteur-fusée à ergols liquides classique.

Le moteur-fusée comprend :

  • le générateur de gaz qui entraîne les turbopompes
  • les turbopompes qui mettent sous pression carburant et comburant provenant des réservoirs
  • les injecteurs qui diffusent les ergols (carburant et comburant) dans la chambre de combustion
  • le système d'allumage qui initialise la combustion si les ergols ne sont pas hypergoliques
  • le circuit de refroidissement qui refroidit la chambre de combustion et une partie de la tuyère
  • la chambre de combustion dans laquelle sont brulés carburant et comburant
  • la tuyère dans laquelle se réalise la détente des gaz qui sont accélérés

Chambre de combustion[modifier | modifier le code]

Article principal : Chambre de combustion.

La chambre de combustion est le lieu où se réalise la combustion des ergols. Pour réduire la taille et donc le poids du moteur-fusée la pression dans la chambre de combustion doit être la plus élevée possible[1]. Généralement les ergols sont pulvérisés dans des proportions qui assurent une combustion presque complète (mélange stœchiométrique) ce qui suppose que le mélange soit homogène, tout en optimisant l'impulsion spécifique. Le rapport entre le débit des ergols est défini par le rapport de mélange.

L'injecteur qui envoie carburant et comburant dans la chambre de combustion est l'élément le plus critique de la chambre à combustion. On distingue deux types d'injecteurs :

  • centrifuges, dans lequel l'ergol tournoie et s'éparpille en fines gouttelettes dès sa sortie, plutôt compliqués à usiner.
  • linéaires, où l'ergol est injecté avec un très faible angle, il est un peu moins efficace que le premier mais plus facile à fabriquer.

Il existe plusieurs variantes de montage des injecteurs : coaxiaux (coupler un injecteur centrifuge et un linéaire permet d'obtenir un excellent mélange), en pommeau de douche (peut s'appliquer pratiquement à tous les types), à jets croisés où les jets de plusieurs injecteurs se rencontrent et se pulvérisent (uniquement avec des injecteurs linéaires), etc.

Il peut arriver que des perturbations locales à caractère vibratoire de la flamme conduisent à une perturbation générale du flux, ce qui peut entraîner la destruction pure et simple du moteur. Pour contrer ce phénomène, on dispose des séparations qui divisent l'aire d'injection en espaces indépendants et limitent ainsi l'amplification des perturbations.

Allumage[modifier | modifier le code]

S'il n'est pas hypergolique le mélange doit être enflammé par un dispositif dont la fiabilité est un critère essentiel. L'allumage du mélange peut être déclenché par l'introduction d'un produit hypergolique avec un des deux ergols, une résistance parcourue par un courant de forte intensité, un catalyseur, une petite charge pyrotechnique, une chambre d'allumage qui communique avec la chambre de combustion[2].

Tuyère[modifier | modifier le code]

La tuyère permet d'accélérer les gaz résultant de la combustion portés à des pressions et des températures très élevés en leur imprimant une vitesse suivant l'axe de la fusée (lorsque celle-ci ne braque pas). La tuyère a la forme d'un cône convergent puis divergent qui permet aux gaz de franchir la vitesse du son : en amont du col la vitesse du gaz est subsonique et en aval supersonique[3]. En présence d'atmosphère la poussée est optimale lorsque la pression des gaz en sortie de tuyère est égale à la pression ambiante[4]. Les tuyères de premier étage sont donc plus courtes que celles des étages devant fonctionner dans le vide. Pour limiter l'encombrement, la tuyère des moteurs fusées des étages supérieurs peut être en partie déployable.

Circuit de refroidissement[modifier | modifier le code]

Les parois de la chambre de combustion ainsi que celles de la tuyère sont portées à des températures très élevées (plusieurs milliers de degrés) et doivent être refroidies car il n'existe aucun alliage pouvant résister à de telles températures. De nombreux moteurs fonctionnent avec au moins un ergol stocké à très basse température pour qu'il reste sous forme liquide. Ces ergols, dits cryotechniques, sont l'oxygène, l'hydrogène et le méthane. La méthode la plus courante pour maintenir la paroi de la chambre de combustion à une température acceptable consiste à faire circuler un de ces ergols à l'intérieur de la paroi de la chambre qui à cet effet est creuse ou constituée de tubes jointifs. Selon l'architecture du moteur l'ergol utilisé pour le refroidissement peut être réinjecté dans la chambre de combustion (cycle fermé ou régénératif)[N 1]) ou moins performant être éjecté en extrémité de tuyère (cycle ouvert, refroidissement par fluide perdu). L'espace dans lequel circule l'ergol refroidissant est constitué de fines canalisations, soit fraisées dans la paroi ou circulant dans des conduits assemblés au moteur. Le tout est recouvert d'une enveloppe généralement faite d'acier ou d'un alliage de titane.

La méthode précédente ne fonctionne pas si les deux ergols utilisés sont stockés à température ambiante. C'est le cas par exemple des moteurs fonctionnant avec un mélange Peroxyde d'azote / UDMH utilisé dans beaucoup de moteurs développés dans les années 1960/1970. Dans ce cas l'un des ergols est utilisé en partie pour créer un film qui recouvre en permanence la paroi interne de la chambre de combustion et s'interpose entre celle-ci et les gaz brulants résultant de la combustion. Ce film est créé et renouvelé en permanence soit grâce à des injecteurs périphériques qui projettent l'ergol sur la paroi soit via des perforations qui tapissent la paroi.

La paroi exposée à la chaleur comprend la paroi de la chambre de combustion proprement dite, le col de la tuyère et la paroi interne de la tuyère. Cet ensemble dit paroi interne est réalisée avec des matériaux adaptés à la contrainte thermique. Les motoristes peuvent utiliser :

  • du cuivre, dont le point de fusion très bas mais à la conductibilité thermique très élevée qui permet de facilement évacuer la chaleur ;
  • de l'acier inoxydable, résistant mieux à la chaleur ;
  • du graphite, très bonne résistance à la chaleur.

Les différents systèmes d'alimentation du moteur[modifier | modifier le code]

Schéma Alimentation par pressurisation des réservoirs : 1 Réservoir carburant, 2 Réservoir comburant, 3 Vannes, 4 Chambre de combustion, 5 Échangeur thermique, 6 Réservoir gaz utilisé pour la pressurisation, 7 Tuyère.

Les ergols doivent être injectés sous pression dans la chambre de combustion. Plusieurs systèmes d'alimentation peuvent être utilisés en adéquation avec le niveau de poussée du moteur et les performances recherchées. Ces systèmes se regroupent en deux familles : les moteurs alimentés par turbopompe et les moteurs alimentés par pressurisation des réservoirs.

Alimentation par pressurisation des réservoirs[modifier | modifier le code]

Sur les moteurs de petite dimension la pressurisation des ergols nécessaire pour obtenir une combustion efficace est effectuée en maintenant une pression importante dans les réservoirs à l'aide d'un gaz inerte comme l'azote. Cette solution impose que les réservoirs aient des parois suffisamment épaisses pour résister à cette pression. Pour les moteurs de forte poussée ayant donc des réservoirs de grande taille, cette solution est trop pénalisante car elle aboutit à des réservoirs trop lourds. Une solution permettant de diminuer la masse de gaz inerte utilisé consiste à faire passer celui-ci par un échangeur de température solidaire de la chambre de combustion ce qui augmente sa température et donc sa pression.

Alimentation par turbopompe[modifier | modifier le code]

Le système d'alimentation par turbopompe est utilisé pour les moteurs de poussée moyenne et forte. Dans ce système la vitesse des ergols et donc la pression est accélérée par une turbopompe qui tourne à plusieurs dizaine de milliers de tours. Celle-ci est entrainée par une turbine à gaz à gaz elle-même alimentée dans le cas le plus fréquent par un générateur de gaz. Plusieurs variantes coexistent :

Moteur à flux dérivé[modifier | modifier le code]

Dans cette architecture le système d'entrainement des pompes est indépendant de l'alimentation en ergols de la chambre de combustion : une fraction des ergols est brulé dans un générateur de gaz, les gaz produits entrainent la turbine puis sont rejetés sans passer ni par la chambre à combustion ni par la tuyère. Cette solution est moins performante que les suivantes car une partie de l'énergie produite par les ergols utilisés par le générateur à gaz est perdue.

Moteur à flux intégré[modifier | modifier le code]

Dans cette architecture le gaz qui sort de la turbine à gaz est réinjecté dans la chambre de combustion et contribue à accroitre la poussée. Le système est plus efficace mais aboutit à un moteur plus lourd et plus complexe.

Cycle à expandeur[modifier | modifier le code]

Dans le cycle à expandeur, la turbine utilisée pour faire fonctionner les pompes à ergols est actionnée par la détente de l'ergol cryotechnique qui a servi à refroidir la chambre à combustion. Ce dispositif permet de supprimer le générateur de gaz et diminue la température à laquelle la turbine doit résister mais elle ne permet pas d'obtenir une pression aussi élevée en entrée de chambre à combustion.

Le cas particulier de la combustion étagée[modifier | modifier le code]

Schéma moteur combustion étagée : 1 Pompe carburant, 2 turbine, 3 Pompe comburant, 4 Pré chambre à combustion, 5 Vannes, 6 Chambre de combustion, 7 Échangeur thermique, 8 Tuyère.

Pour les moteurs particulièrement performants la pression dans la chambre de combustion est très élevée (250 à 300 bars). Pour l'obtenir, une grande partie des ergols passe par une pré chambre de combustion où ils sont en partie brulés. Les gaz en sortie de cette préchambre entrainent les turbines avant d'être injectés dans la chambre de combustion. Dans la préchambre de combustion la proportion de comburant (oxygène) est beaucoup trop élevé et la combustion n'est que partielle ce qui permet de maintenir cette dernière à une température modérée.

Les moteurs multichambres[modifier | modifier le code]

Les instabilités de combustion sont un des phénomènes les plus difficiles à éliminer lors du développement d'un moteur car leur dynamique est difficile à déterminer. Plus le moteur est puissant plus les instabilités sont potentiellement importantes. Les concepteurs des moteurs soviétiques ont choisi dans les années 1950 de contourner le problème en multipliant le nombre de chambres à combustion (et donc de tuyère) alimentés par une seule turbopompe. C'est ce type de moteur qui propulse le premier étage du lanceur Soyouz (les RD-107 RD-108 : 4 chambres) et qui est utilisé sur le moteur le plus puissant en production le RD-170 à 4 chambres.

La modulation de la poussée[modifier | modifier le code]

Un des principaux avantages des moteurs-fusées à ergols liquides par rapport à l'autre grande famille des moteurs-fusées à propergol solide est la capacité de ces moteurs à faire varier leur poussée. Cette propriété est très intéressante pour limiter l'accélération d'un lanceur au fur et à mesure que sa masse diminue. Elle est également nécessaire lorsqu'on utilise des moteurs-fusées pour faire atterrir un engin (sonde automatique ou vaisseau habité) sur une planète. La modulation de la poussée est obtenue en jouant sur le débit d'ergols injectés dans la chambre de combustion. Pour que la poussée soit modulable il est nécessaire qu'aux différents régimes d'alimentation la combustion soit stable ce qui rend plus difficile le développement du moteur.

L'orientation de la poussée[modifier | modifier le code]

Pour pouvoir corriger l'orientation du véhicule spatial (lanceur, vaisseau) propulsé par le moteur-fusée, la poussée doit pouvoir être orientée. La poussée d'un moteur-fusée à ergols liquides peut être relativement facilement orientée : des vérins sont utilisés pour basculer le moteur avec sa tuyère de quelques degrés. Avec un seul moteur les mouvements de tangage et de lacet peuvent être obtenus mais le roulis doit être pris en charge par des moteurs dédiés. Sur un étage propulsé par quatre moteurs le mouvement de roulis peut être également pris en charge. Si la poussée est de quelques tonnes les vérins sont actionnés par un moteur électrique, au-delà par des vérins hydrauliques. L'orientation de la poussée peut être également obtenue en combinant de manière variable l'action de plusieurs moteurs spécialisés baptisés moteur-vernier.

Les différentes combinaisons d'ergols liquides[modifier | modifier le code]

Article principal : Propergol liquide.

En règle générale, le mélange qui est brûlé dans la chambre de combustion est composé de deux éléments. Certains moteurs de faible poussée utilisent un seul type d'ergol et par le passé des combinaisons à 3 ergols ont été essayés. Beaucoup de combinaisons ont été testées au début de l'ère spatiale mais très peu de combinaisons sont actuellement utilisées.

Moteurs à triergols[modifier | modifier le code]

Les moteurs à triergols utilisent trois ergols pour leur fonctionnement.

Le cas particulier des monergols[modifier | modifier le code]

Les moteurs à monergols n'utilisent qu'un seul ergol pour leur fonctionnement.

La mesure des performances d'un moteur-fusée[modifier | modifier le code]

De nombreuses caractéristiques permettent de mesurer les performances d'un moteur-fusée. Certaines sont importantes dans tous les cas d'utilisation :

  • La poussée
  • L'impulsion spécifique c'est-à-dire la vitesse des gaz éjectés. Celle-ci dépend en premier lieu de la combinaison d'ergols utilisée et en deuxième lieu de l'efficacité du circuit d'alimentation, de la combustion et du circuit de refroidissement
  • Le rapport poids (du moteur)/poussée
  • Optimisé pour le fonctionnement dans le vide : la longueur du divergent est soit optimisée pour le fonctionnement dans le vide soit pour les basses couches de l'atmosphère

D'autres caractéristiques n'entrent en ligne compte que pour certaines utilisations :

  • La modulation de la poussée
  • La capacité du moteur à pouvoir être réallumé et le nombre d'allumages possible : dernier étage d'un lanceur, propulsion d'une sonde spatiale
  • La possibilité de réutiliser le moteur après usage : moteur installé sur une navette spatiale, sur un premier étage réutilisable (jamais réalisé jusqu'à présent)
  • La possibilité de produire des micro poussées : propulsion de satellites, de sondes spatiales
  • La capacité du moteur à fonctionner au-delà d'un certain délai. Il s'agit plutôt d'une caractéristique liée aux ergols utilisés et au mode de stockage. Sonde spatiale, étage propulsif utilisé dans le cadre d'une mission longue.

L'utilisation d'un ergol peu dense comme l'hydrogène peut induire une pénalisation indirecte car il nécessite des réservoirs de grande taille et donc contribue à augmenter la trainée dans les basses couches de l'atmosphère. L'utilisation d'ergols cryotechniques induit une pénalisation liée à la présence de couches d'isolant thermique.

Domaine d'utilisation[modifier | modifier le code]

entretien moteur principal navette américaine
Entretien d'un moteur principal d'une Navette spatiale américaine.
  • L'Impulsion spécifique est très largement supérieure à celle d'un moteur-fusée à ergols solides (le couple hydrogène-oxygène atteint 435 s) mais très faible par rapport aux moteurs aérobies.
  • Le contrôle de la combustion se fait sans trop de difficultés, chose difficile sur un moteur-fusée à ergols solides. Cette caractéristique en fait le seul type de moteur-fusée utilisés comme moteurs verniers.
  • Leur principe de fonctionnement est relativement simple mais leur conception est très complexe et nécessite beaucoup de moyens.
  • Propreté/Toxicité des gaz de combustion: le mélange Hydrogène liquide-Oxygène liquide ne produit que de l'eau alors que certains couples, pas ou peu utilisés, (par exemple: Fluor-Ammoniaque) présentent des risques pour la santé et l'environnement.
  • Il nécessite une préparation avant lancement beaucoup plus grande que les modèles à ergols solides.

Caractéristiques de quelques moteurs-fusées à ergols liquides[modifier | modifier le code]

Caractéristiques de quelques moteurs-fusées à ergols liquides
SSME J-2 RD-170 Vulcain 2[5] Vinci [6] F-1
Poussée au sol / dans le vide 1860 kN / 2279 kN / 1033 kN 7887 kN / 1340 kN / 180 kN 6770 kN /
Ergols LOX /LH2 LOX /LH2 LOX / RP-1 LOX /LH2 LOX /LH2 LOX / RP-1
Impulsion spécifique au sol / dans le vide 363 s. / 452,3 s. 200 s. /421 s. 309 s / 368 s - / 431 s - / 465 s 263 s /
Rapport poids poussée 73,18 82
Système d'alimentation Combustion étagée Combustion étagée Générateur de gaz / flux intégré Cycle à expanseur
Pression dans la chambre de combustion 206 bars 30 bars 245 bars 115 bars 60 bars 70 bars
Autre caractéristique architecture Réutilisable 4 chambres de combustion Divergent déployable
Masse du moteur 3,526 t. 1,438 t. 9,5 t. 2,1 t. ~0,55 t. 9,153 t
Hauteur / Diamètre 4,3 × 2,4 m 3,38 m / 2,01 m 3,78/4,02 m 3,45/2,10 m 2,37-4,20 m / 2,20 m 5,79 m / 3,76 m.
Poussée modulable
Rapport de section 77 28 36,87 58,3 243
Autres caractéristiques Réallumable
En production 1981 2016/2017
Utilisation Navette spatiale américaine Saturn V, Saturn 1B Energia, Zenit Ariane 5 en développement Saturn V


Galerie[modifier | modifier le code]

Voici, ci-dessous, quelques moteurs de différents types et de différentes époques.

Cliquez sur une vignette pour l’agrandir

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. En anglais regenerative cooling, l'expression refroidissement par régénération est déconseillée par le CILF.

Références[modifier | modifier le code]

Sources[modifier | modifier le code]

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]