Ariane 4 les moteurs Viking

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 4), 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 99,8 %, et son faible coût en font une référence mondiale. Il a été fabriqué à plus de 1 100 exemplaires. Les améliorations depuis les versions de base pour Ariane 1 permettent de mieux contrôler les instabilités de combustion, d'augmenter la poussée, d'utiliser de nouveaux ergols (UH25), 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.

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.
Le 1000ème moteur Viking a été livré par Snecma Moteurs 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 se poursuit à raison d'environ 70 moteurs par an.

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, se composent :

_ 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, sont utilisés par groupement de quatre moteurs,
_ le Viking 4, sur le deuxième étage, fonctionne dans le vide et a, par conséquent, un divergent très allongé qui autorise une augmentation d'impulsion spécifique d'environ 11 s,
_ le Viking 6, qui équipe les Propulseurs d'Appoint à Liquides (PAL) d'Ariane 4, est proche du Viking 5 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 4
Poussée dans le vide	760 kN	760 kN	808 kN
Poussée au sol	680 kN	680 kN
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
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.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.
Un GOC 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 sermoteurs alimentés en gaz chaud du moteur. 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 générales 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.
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 4 L33 NOMENCLATURE

	Le moteur Viking 4 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 4 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).
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.