CHRONOLOGIE ARIANE

 

LES MOTEURS VIKING D'ARIANE 4

Le moteur Viking, dans ses différentes versions, assure la propulsion des étages inférieurs d'Ariane 4. Particulièrement fiable et économique, il a été qualifié en 1979 pour les versions AR1 à 3. Le moteur Viking est produit par Snecma Moteurs, maître d'œuvre du programme, avec le concours de partenaires européens dont MAN Technologie, Volvo Aero et Techspace Aero.

Délivrant une poussée comprise entre 760 kN et 808 kN (76 à 80 tonnes) selon les versions, le moteur Viking motorise le premier et le deuxième étage de toutes les versions du lanceur Ariane 4 (avec respectivement les Viking 5C et 4B), ainsi que les PAL, Propulseurs d'Appoint à Liquides (avec le Viking 6), sur les versions Ariane 42L, 44L et 44LP. La fiabilité démontrée du moteur Viking, de 98,47 %, et son faible coût en font une référence mondiale. Il a été fabriqué à 1 160 exemplaires, dont 958 pour les 144 lanceurs Ariane 1 à 4 lancés de 1979 à 2003. Les améliorations depuis les versions de base pour Ariane 1 permettent de mieux contrôler les instabilités de combustion en utilisant de nouveaux ergols (UH25), d'augmenter la poussée, d'allonger la durée de fonctionnement et enfin pour augmenter encore la fiabilité, l'utilisation à partir du vol 86, d'un col de chambre à double bobinage. Initialement, chaque moteur était testé au banc avant montage sur le lanceur. A partir de 1988, devant la confiance en ce moteur, les ingénieurs ne les testent plus. Chaque année, un moteur Viking prélevé dans la production fait l'objet d'un essai au sol de longue durée (une fois et demi la durée nominale du vol du premier étage d'Ariane 4), destiné à vérifier le bon fonctionnement du moteur dans des conditions plus difficiles que le vol. 
Au 1er juin, 1995, 710 moteurs Viking ont été produits. En plus de 1300 tirs, ils totalisent 114 000 secondes de fonctionnement cumulées dont 71 200 en vol.
Le 1000ème moteur Viking a été livré par Snecma Moteurs (SEP) à son client Arianespace le 4 juin 1999. Fin 2000, 1083 moteurs Viking avaient été produits. En plus de 1 800 tirs, ils totalisent plus de 180 000 secondes de fonctionnement cumulées dont environ 135 000 secondes en vol. Sur le site de Vernon, la production du moteur Viking s'est poursuite à raison d'environ 70 moteurs par an.

Chaine de montage du Viking 5C en 1988

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PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Les moteurs Viking du premier étage, du deuxième étage et, le cas échéant, des Propulseurs d'Appoint à Liquides (PAL) des lanceurs Ariane 4 fonctionnent selon le même principe des moteurs à ergols dits stockables et hypergoliques, c'est à dire s'allumant par simple contact. Les Viking ont été développé dans les années 1970 pour Ariane 1 à partir des travaux de la LRBA et la SEP sur le moteur M40 puis M55 qui est devenu le Viking 1. C'est le premier moteur à turbopompe réalisé en France. Pour les moteurs précédents, l'alimentation de la chambre de combustion se faisait la pression dans leur réservoir, une pression fournit par un générateur de gaz chauds indépendants.

Il se compose :
_D'une chambre de combustion ou foyer, dans laquelle les ergols - peroxyde d'azote (N2O4) et UH25 (mélange de 75% de 1-1-diméthylhydrazine [(CH3)2NNH2 ou UDMH], et de 25% d'hydrate d'hydrazine) - sont injectés sous forte pression et finement pulvérisés pour réagir spontanément et donner des gaz à une température élevée, voisine de 3000°C. L'injecteur, en alliage léger, est de type annulaire et comprend, pour chacun des ergols, 216 doublets de pulvérisation répartis sur 6 rangées.

_ D'une tuyère de détente, dans laquelle les gaz acquièrent la vitesse d'éjection nécessaire à l'obtention de l'effet propulsif, plus de 2500 m/s. Cette tuyère réalisée en alliage de cobalt comporte un col en SEPHEN, matériau composite (résine phénolique - fibre de silice) réalisé par Snecma Moteurs. L'ensemble du foyer et de la tuyère constitue l'éjecteur. Ses parois sont refroidies par un film d'UH25 alimenté par des canaux complémentaires situés en partie basse de l'injecteur.

_ D'un système d'alimentation du foyer, dont la partie essentielle est une turbopompe mono-arbre d'une puissance de 2500 kW alimentée par un générateur de gaz chauds. Ces gaz sont le produit de la réaction d'une faible fraction des ergols, prélevés sur le débit principal, auxquels on ajoute de l'eau pour limiter la température à laquelle est soumise la turbine. Pour cette raison, il y a trois pompes, dont une d'eau. Le système d'alimentation est complété par les vannes principales qui contrôlent le démarrage et l'arrêt du moteur.

_ D'un régulateur principal destiné à asservir le niveau de poussée à une valeur de référence. Dans celui-ci, une première boucle contrôle la température des gaz qui alimentent la turbine, en réglant l'équilibre des débits des trois fluides introduits dans le générateur. Une seconde boucle asservit la pression du foyer, donc la poussée, à une pression pilote, via la production de gaz, qui détermine la vitesse de la turbopompe et par suite le débit d'ergols entrant dans la chambre de combustion.

_ D'un régulateur d'équilibre qui contrôle la richesse, ou rapport de mélange, dans le moteur de façon à obtenir l'épuisement quasi simultané des deux ergols dans les réservoirs.

 

Le moteur Viking est actuellement produit en trois versions pour Ariane 4 :
_
les Viking 5C, sur le premier étage L220, sont utilisés par groupement de quatre moteurs, utilise du UH25 (UDMH avec 25% d'hydrazine). La pression de combustion est augmentée de 5 bars, passant de 53,5 à 58,8 et la poussée est aussi augmentée de 8%. Il brûle 55% de temps en plus par rapport à la version d'Ariane 1
_ le Viking 4C, sur le deuxième étage L33, fonctionne dans le vide et a, par conséquent, un divergent très allongé qui autorise une augmentation d'impulsion spécifique d'environ 11 s. Comme le Viking 5C, il consomme de l'UD25.
_ le Viking 6, qui équipe les Propulseurs d'Appoint à Liquides (PAL) d'Ariane 4, est proche du Viking 5C dont il a les performances, mais en diffère par l'aménagement.

CARACTERISTIQUES TECHNIQUES

Etages Ariane 4

L220

PAL

L33

Version du moteur

Viking 5C

Viking 6

Viking 4C

Poussée dans le vide

760 kN (77,5 T)

760 kN (77,5 T)

808 kN (82 T)

Poussée au sol

680 kN (69,3 T) 680 kN (69,3 T)  

Impulsion spécifique

278,5 s

278,3 s

292,7 s

Pression de combustion 58,5 bar 58,5 bar 58,5 bar

Temps de fonctionnement

207 s

142 s

126 s

Rapport de section

10,5

10,5

30,8

Débit total d'ergols

279 kg/s

278,7 kg/s

281,4 kg/s

Rapport de mélange 1,71 1,71 1,71

Vitesse de rotation TP

10 000 tr/mn

10 000 tr/mn

10 000 tr/mn

Puissance turbine

2,5 MW

2,5 MW

2,5 MW

Hauteur

2,87 m

2,87 m

3,51 m

Diamètre de sortie tuyère

0,99 m

0,99 m

1,70 m

Masse du moteur

826 kg 826 kg 886 kg

 

MOTEUR VIKING 5C L220  NOMENCLATURE

Quatre moteurs Viking 5C assurent la propulsion du L220 d'Ariane 4 alimentés par deux réservoirs d'ergols superposés et un réservoir d'eau situé au sommet du réservoir UD25 (rapport de mélange 1,71).Le GOC "groupe organe de commande" fournit sur ordre électrique la pression pilote qui déclenche l'ouverture des vannes d'alimentation en ergols et en eau, et provoque ainsi l'allumage des moteurs. La pression sert aussi de référence pour réguler celle de combustion des quatre moteurs et celle des réservoirs. 
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Un GOC "groupe organe de commande" secondaire assure la même fonction pour les moteurs des PAL.
Le système correcteur pogo SCP implanté sur chaque ligne d'alimentation du moteur est en fait un volume cylindrique remplit d'azote gazeux disposé autour de la canalisation faisant office de filtre amortisseur qui réduit le couplage entre les vibrations de structures et de lignes, les fluctuations de débits correspondantes et les modulations de poussée induites. L'effet pogo peut endommager les satellites et détruire le lanceur. Le système est alimenté en azote grâce à une chaîne de pressurisation comportant une réserve de 30 litres d'azote à 200 bar, une vanne HP, un détendeur (20 bar) et des systèmes de commutation.

Le système de pressurisation à gaz chauds PGC maintient la bonne pression dans les réservoirs pendant la durée du vol. Il assure la bonne alimentation en ergols des moteurs pendant le vol en maintenant une pression de 5,5 bar dans les réservoirs et évite l'effondrement des réservoirs sur eux même. 

Les PIFE prises d'interfaces fluides et électriques assurent la liaison de l'étage avec les PAL pour les alimentations du GOC et SCP, alimentation en eau des PAL et mesures.

Le pilotage selon trois axes est assuré par trois servomoteurs alimentés en gaz chaud du moteur. Ils permettent le déplacement de la tuyère de 4° grâce à des tiges fixées sur l'extérieur de la chambre de combustion.

Les prises culots pneumatiques PCP situées sur la table de lancement et déconnectées au décollage permettent d'activer tous les systèmes de la baie de propulsion, gonflage des capacités (réservoirs) du GOC et SCP, ventilation de la baie, assainissement par balayage à l'azote des moteurs Viking, maintien en pression des réservoirs d'ergols et d'eau pendant les tests d'étanchéité et pendant le transfert en ZL 2 et vérification du fonctionnement des servomoteurs.
Ces prise s assurent aussi le jour J le remplissage en ergols des réservoirs N2O4 et UD25. 
 

 

MOTEUR VIKING 6 PAL  NOMENCLATURE

Le propulseur PAL assurent un complément de poussée au lanceur pendant les 143 premières secondes du vol. Leur conception générale reprend celle des étages d'AR4. Son fonctionnement n'est pas autonome, il nécessite l'utilisation des systèmes centralisés dans le L220 auquel il est relié par une prise d'interface.

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Le PAL est équipé d'un moteur Viking 6 alimenté en ergols par deux réservoirs en acier inox. Comme ce sont les moteurs de l'étage L220 qui assurent le pilotage du lanceur , les moteurs du PAL sont fixes mais calés à 10° d'inclinaison afin de laisser la place au système d'accroche du lanceur et à minimiser les perturbations appliquées au lanceur en fin de propulsion à leur extinction. 
Le Viking 6 est dérivé du Viking 5C du L220 et fonctionne avec les mêmes ergols (N2O4 et UD25).
Le GOC "groupe organe de commande" secondaire fournit sur ordre électrique la pression pilote qui déclenche l'ouverture des vannes d'alimentation en ergols et en eau, et provoque ainsi l'allumage du moteur PAL. Il est commun à tous les PAL et est directement alimenté en pression de 58 bar par le GOC principal de l'étage L220. 
Le système correcteur pogo SCP implanté sur chaque ligne d'alimentation du moteur est en fait un volume cylindrique remplit d'azote gazeux disposé autour de la canalisation faisant office de filtre amortisseur qui réduit le couplage entre les vibrations de structures et de lignes, les fluctuations de débits correspondantes et les modulations de poussée induites. LeSCP est mis en pression par l'intermédiaire de l'étage L220.
Le système de pressurisation à gaz chauds PGC qui équipe chaque PAL assure la bonne alimentation en ergols des moteurs pendant le vol en maintenant une pression de 5,5 bar dans les réservoirs.
La prise d'interface et électrique PIFE assure les liaisons fluides et électriques entre l'étage et le propulseur (eau à partir du réservoir du L220, alimentation du GOC, alimentation du SCP, transmission des mesures de données et alimentation des système pyro de séparation). Les PIFE sont découpés par cordon pyro après extinction des PAL. 

MOTEUR VIKING 4B L33  NOMENCLATURE
Le moteur Viking 4B assure la propulsion du second étage Ariane 4 le L33 pendant 2 mn. Il est alimenté par des ergols dans deux réservoirs à fond commun, l'alimentation en eau du générateur étant faite par un réservoir torique à la base de l'étage. 

Le Viking 4B diffère du Viking 5C par quelques aménagements comme l'augmentation de la longueur de la tuyère  vue que l'étage fonctionne dans le vide ce qui rajoute un supplément de poussée (50 kN).

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Moteur Viking 4B du L33 vue coté pile et coté face


Le moteur Viking 4C, exposé au siège de la DLR, Allemagne

 

Le GOC "groupe organe de commande" fournit sur ordre électrique la pression pilote qui déclenche l'ouverture des vannes d'alimentation en ergols et en eau, et provoque ainsi l'allumage du moteur. La pression sert aussi de référence pour réguler celle de combustion et celle des réservoirs.

Le système correcteur pogo SCP implanté sur chaque ligne d'alimentation du moteur est en fait un volume cylindrique remplit d'azote gazeux disposé autour de la canalisation faisant office de filtre amortisseur qui réduit le couplage entre les vibrations de structures et de lignes, les fluctuations de débits correspondantes et les modulations de poussée induites. L'effet pogo peut endommager les satellites et détruire le lanceur. Le système est alimenté en azote grâce à une chaîne de pressurisation comportant une réserve de 2 litres d'azote à 210 bar, une vanne HP, un détendeur (20 bar) et des systèmes de commutation.

Le système de pressurisation à gaz froid PGF permet de maintenir la pression dans chaque réservoirs pendant la durée de vol afin d'alimenter correctement les pompes éviter l'effondrement du réservoir sur lui même et éviter que le fond commun se retourne.  La pressurisation est obtenue par de l'hélium stocké sous 315 bar dans trois sphères.

Le pilotage du moteur est assuré par deux servomoteurs placés à 90° pour les tangages et lacets  alimentés en gaz chauds du moteur. Le pilotage en roulis est assuré par le SCR situé sous la jupe arrière à l'extérieur de l'étage. Des gaz chauds prélevés des turbines sont éjectés par deux tuyères tangentes commandés par la case à équipements. 

 

Chaine de montage du Viking à Vernon dans les années 1990. Au fond à gauche déstockage des turbopompe Viking 4, 5 et 6 provenant de la société MAN. A droite montage moteur Viking 4 des L33. Devant, montage des moteurs Viking 6.

 

 

VIKING FACTS

Sur V50, en avril 1992, de nouveau régulateur a eau sont montés sur les Viking pour plus de fiabilité.
19 mai 1992, la SEP remet à AE son 500e moteur Viking pour Ariane 4. Sur l'ensemble de la production, 300 moteurs ont volé sur des Ariane.


Sur V57, en juin 1993, la pression du foyer du Viking 4est réduite de 0,6 bars.
Sur V58, en juillet 1993, la pression foyer des Viking 5 et 6 est augmentée de 0,3 bars.
Sur V63 et 64, en janvier et juin 1994, la pression du foyer sur les Viking 5 et 6 est augmentée de 0,3 bars.
Sur le vol V80, en novembre 1995 vole le 500e moteur Viking.
Le premier Viking 5C avec col de chambre à double bobinage est monté sur V86 en mai 1996.
Le 1000e Viking (MD4094) produit par la SNECMA, modèle 48 pour un étage L33, a été recetté par AE le 4 juin 1999 à Vernon. C'est aussi le 790e moteur opérationnel. La cadence de production est de 70 moteurs par an. Il vole sur V126 en janvier 2000 sur un étage L33.
Le Viking, c'est plus de 800 essais à feu successifs sans problème. Vernon fabrique les injecteurs, SNECMA assure le montage à partir de sous ensemble fournis par les coopérants MAN et Volvo. L'intégration des baies du L220, également montées à Vernon est faite par l'Aérospatiale aux Mureaux. Pour les PLA et le L33, cela est fait en Allemagne à Brème par DASA. Le moteur a subit quelques améliorations depuis L01, validé après chaque vol et essai au PF2. Citons l'introduction du col double bobinage depuis V86 et la suppression des essais recette des injecteurs depuis 1997 V117.
Ces 1 000 moteurs opérationnels produits par Snecma se répartissent en 860 Viking et 131 HM-7 sur Ariane 1 à 4 et 9 Vulcain sur Ariane.

1999, l'estampille SNECMA remplace totalement celle de la SEP, dans un soucis de rationalisation, sur les moteurs sortant des chaines de fabrication.
La 1000e mise à feu d'un moteur opérationnel "made in Vernon" a lieu lors du vol V141 le 9 juin 2001.
L'aventure Viking se termine en 2002 avec la sortie du dernier moteur (pour le L33 du vol 159, moteur 944)à Vernon le 28 juin. C'est 1000 moteurs qui ont été fabriqués et assemblés à Vernon, dont 958 dédiés au 144 lanceurs Ariane 1, 2, 3 et 4 (144 Viking 4, étage L33, 576 Viking 5, étage L140 et 220 et 238 Viking 6, PAL)



Pas d'échec direct à cause d'un moteur Viking sur les vols Ariane 4. L'échec du vol 36, en 1990 est du à l'obstruction, par un chiffon, de la tuyauterie d'eau du moteur D du L220 et l'incendie sur le PAL 4 suite à un défaut d'étanchéité des tuyauteries U et N du régulateur d'équilibre. Les matériels défaillants purent être récupérés pour confirmer le scénario. Pour la petite histoire, le lanceur du vol 35 (L408) était en version 44L avec 2 satcoms à bord, SuperBird et BS 2X. Suite aux retard du SuperBird, devant subir des vérifications supplémentaires, à cause du tremblement de terre à Los Angles, le lanceur fut transformé en version 40 pour lancer le satellite d'observation Spot, le 22 janvier, V35. Les PAL démontés se retrouvèrent sur le lanceur du vol 36 avec un autre corps central (L407). Comme la tuyauterie d'eau était bouché depuis le début, la trajectoire s'en trouva modifier dès le décollage, le lanceur brûla le bras LOX de la tour et la frôla à son sommet. Si le lanceur L407 avait été en version 40, comme initialement prévu, l'accélération n'aurait pas pété suffisante et il aurait probablement heurté la tour. A la suite de ce vol, des mesures de furent mise en place sur tout le lanceur avec des contrôles anti obstruction et les procédures d'accostage des tuyauteries pour s'assurer un bon alignement de celles-ci et garantir une bonne étanchéité à haute pression. Pour les vols suivant, la séquence de décollage sera modifié, le lanceur restera plus longtemps sur sa table afin de contrôler les moteurs du L220 et surveiller les températures pour détecter un d'incendie éventuel.

 
La vie du Viking ne s'est pas arrêter avec Ariane. Au milieu des années 1970, au cours d'une visite en France, le directeur de l'ISRO, agence spatiale Indienne avait demandé à la SEP qui développait le Viking que soit réalisé un transfert de technologie pour le moteur. Un accord a été trouvé avec le CNES. 35 ingénieurs sont venus en France pour aider la SEP à développer le Viking pendant 5 ans. Lorsque le projet s'est terminé en 1979, l'Inde a décidé de développer un moteur a ergols hypergolique, basé sur le Viking pour le second étage du lanceur PSLV. L'Inde n'ayant pas le savoir faire de la SEP, ni les infrastructures pour le tester, la fabrication du Vikas a pris 7 ans suivit de 8 autres années pour le tester en vol. Le Vikas 2 est semblable au Viking 4 d'Ariane, 75 tonnes de poussée, pression de 58 baérs dans la chambre, non rallumable et pilotable selon 2 axes à 4°. il est utilisé sur le propulseur d'appoint du GSLV et  la version Vikas X pour le premier étage LVM3 (GSLV 3). La version Vikas 4, à tuyère allongée sert pour le second étage du GSLV.

 

 

LES MOTEURS VIKING D'ARIANE 1