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CHRONOLOGIE ARIANE

LE MOTEUR VULCAIN

Mis en service avec Ariane 5, le moteur Vulcain a été développé par Snecma Moteurs. La maîtrise d'œuvre du programme Vulcain lui a été confiée par le CNES, qui assure pour le compte de l'Agence Spatiale Européenne la direction technique et financière du programme Ariane 5. Dans ce cadre, Snecma Moteurs pilote une vaste coopération européenne rassemblant une quarantaine d'entreprises, parmi lesquelles EADS Astrium (chambre de combustion), FiatAvio (turbopompe oxygène liquide) et Volvo Aero (divergent de tuyère), mais aussi Techspace Aero, en charge des vannes cryogéniques. Le moteur Vulcain délivre 1 145 kN (115 tonnes) de poussée à l'étage principal du lanceur pendant près de 10 minutes de vol.

Après une phase d'études préliminaire à partir de 1984, le développement a réellement débuté en 1988 suite à la décision de lancement du programme Ariane 5 par les ministres européens lors de la conférence de La Haye. 
Après des essais au niveau des composants, les essais moteurs ont débuté en avril 1990. Le fonctionnement du moteur Vulcain sur étage a en outre été étudié en Guyane sur le pas de tir, à partir de fin 1994.
FiatAvio a contracté Volvo Aerro (Suède) pour la fourniture de 57 tuyères et turbines pour Ariane 5. Le contrat est de 4 turbines LOX utilisé dans le moteur Vulcain 1 et 19 autres pour le Vulcain 2. Volvo développe aussi 17 turbines LH2 et 17 tuyères pour le Vulcain 2. la firme qui produira aussi les tuyères pour le moteur US RL60 a 25 ans d'expérience derrière elle puisqu'elle a réalisé les tuyères des moteurs Viking d'Ariane depuis 1978. 

Le moteur de l' EPC, est le Vulcain. Conçu par la Snecma, ce moteur a une poussée moyenne de 1125 kN soit au niveau du sol (115 tonnes). Le Vulcain engloutit 1250 kg/s de gaz chaud à 3300°C et sous une pression de 110 bars. 516 injecteurs pulvérisent sous haute pression, l'hydrogène et l'oxygène. La chambre de combustion est elle-même refroidie par de l'hydrogène liquide prélevé dans le circuit. La tuyère du moteur permet d'orienter les gaz qui sortent à quelques 4 km/s (14400 km/h). Il s'agit en fait d'un enroulement en hélice de 456 tubes dans lequel circule de l'hydrogène liquide afin de la refroidir et éviter qu'elle fonde.

L'alimentation du moteur se fait grâce à deux turbopompes (pompes à haute vitesse) :
_ la pompe à hydrogène, qui tourne à 33000 tr/min. Elle développe une puissance de 15 MW soit 21000 chevaux. C'est l'équivalent de la puissance de deux rames de TGV ! Cette turbopompe est le fruit de longues études menées sur les roulements et les matériaux car la pompe atteint, par paliers, des vitesses critiques où le rotor de la pompe (partie mobile) doit être parfaitement équilibré.
_ la pompe à oxygène tourne à 13000 tr/min. Elle développe une puissance de 3,7 MW. Toutefois, elle n'atteint pas de vitesse critique. Il s'agit surtout d'étudier des matériaux qui n'entrent pas en combustion avec l'oxygène véhiculé.
Ces deux pompes sont alimentées par une turbine dite générateur de gaz chauds. Cette turbine est comme une seconde chambre de combustion qui prélève environ 3% du combustible. Cette pompe permet de fournir l'énergie à la propulsion des deux pompes. Les gaz produits entraînent les pompes et sont ensuite rejetés par deux petits tubes situés de par et d'autre de la tuyère principale du moteur.
Le moteur est démarré au sol afin que l'on puisse contrôlé son fonctionnement avant l'allumage irréversible des deux boosters EAP. Le moteur est allumé par un démarreur à poudre qui lance les turbopompes et de petits explosifs qui allument la combustion dans les chambres de combustion.
Le moteur et sa tuyère mesure 3 m de haut et 1,76 m de diamètre pour 1685 kg. Il va fonctionner durant un vol normal, a peu près 10 minutes. Le moteur est testé pendant environ 7 secondes. En cas d'anomalie, on le coupe et le lancement est reporté. Mais, si tous les systèmes répondent, on allume les EAP et Ariane 5 décolle instantanément.

Un autre système d'hélium permet de pressuriser des canalisations servant à l'alimentation des pistons pneumatiques pour contrôler l'inclinaison le moteur. Les deux réservoirs de 300 litres sont mis sous la pression de 390 bars. Ils sont construits en un composite carboné et en titane.

La poussée fournit par le moteur est transmis à l'étage via le bâti-moteur, une structure triangulaire métallique portant le moteur. Ensuite, la force est transmise via la structure extérieure du réservoir. Au sommet en forme de dôme de l'EPC, on place la jupe avant qui transmet la force au reste du lanceur.

Au moment du premier vol, le 4 juin 1996, le moteur Vulcain cumulait une expérience de 285 essais, totalisant 85000 secondes de fonctionnement. Les essais sont conçus pour démontrer que le moteur satisfait les spécifications, mais aussi pour rechercher les limites du matériel (endurance, tolérances aux pannes) afin d'asseoir la fiabilité sur des bases éprouvées. Le développement du moteur Vulcain a été assuré par une coopération européenne sur financement de l'ESA (Agence Spatiale Européenne). Le CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) a assuré la direction technique et financière du programme et a confié la maîtrise d'oeuvre à Snecma Moteurs.

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Outre le développement complet du moteur et les essais réalisés sur deux installations redondantes à Vernon (France) et à Lampoldshausen (Allemagne), Snecma Moteurs a développé elle-même la turbopompe hydrogène, le générateur de gaz et ses vannes d'alimentation. Astrium (Allemagne) a développé la chambre de combustion avec sous-contrat à Volvo Aero Corp. (Suède) pour le divergent et à MAN Technologie (Allemagne) pour le cardan et la protection thermique. Fiat Avio (Italie) a développé la turbopompe oxygène, Volvo Aero Corp. (Suède) les turbines hydrogène et oxygène, Techspace Aero (Belgique) les vannes d'injection chambre, les vannes de purge et la vanne gaz chauds, Microtechnica (Italie) les électrovannes et clapets anti-retour, SPE (Pays-Bas) les équipements d'allumage et démarrage, AVICA (Grande Bretagne) les lignes d'alimentation et DEVTEC (Irlande) les supports.
Ainsi Vulcain n'a pas été qu'une gageure technique, ce fut également un défi en termes de gestion de projet, mené à bien par Snecma Moteurs.
Fin 2000, le moteur Vulcain cumule plus de 132 700 secondes en 392 cycles de fonctionnement: essais au sol et les neuf premiers vols d'Ariane 5.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

La conception du moteur cryogénique Vulcain est basée sur le cycle à flux dérivé, où les turbopompes qui alimentent la chambre sont entraînées par la combustion, dans un générateur de gaz, des ergols prélevés (3%) sur le circuit principal. Ce cycle offre une performance raisonnable tout en permettant d'accroître la fiabilité et de diminuer le coût. 

Il est alimenté par deux réservoirs superposés à fond commun contenant 132 tonnes d'hydrogène et 26 tonnes d'oxygène à très basse température. Deux lignes de 185 mm de diamètre alimentent le moteur. Elles possèdent une certaines souplesse afin de faciliter les déplacements pendant la mise en froid et le pilotage en vol du moteur.
Sur ces lignes on trouve les vannes d'alimentation, le système correcteur pogo SCP implanté sur la ligne LOX (une cavité cylindrique remplit d'hélium) agissant comme amortisseur réduisant le couplage entre les vibrations de structures des lignes, les fluctuations de débits et les modulations de poussée induites créateur de vibrations capable de détruire le lanceur ou endommager les satellites.
Le système de pressurisation des réservoirs permet la tenue structurelle des réservoirs et assurent une alimentation régulière du moteur en ergols. Le réservoir LOX est pressurisé par 141 kg d'hélium liquide (7°K et 19 bar) qui réchauffé au contact de l'échappement de la turbine remonte dans le réservoir avec un débit de 0,2 kg-s. La régulation est faite par des vannes montées sur "une platine". La pressurisation du réservoir LH2 est directement assuré par de l'hydrogène gazeux prélevé en amont des injecteurs du moteur, à 120 bar et 100°K, puis introduit à raison de 0,4 kg-s dans le réservoir.
Le système de commande fournit l'énergie pneumatique de servitude de l'étage et active sur ordre électrique, les vannes de mises en oeuvre pour le vol. Il utilise de l'hélium stocké sous 350 bar dans deux sphères de 300 l. Une "platine gonflage détente" regroupe la vanne nécessaire à leur remplissage et une vanne suivie d'un détendeur pour alimenter les boîtiers d'électrovannes LOX et pressurisation, LH2 et pressurisation et alimentation moteur, générateur de gaz et mise en froid des roulements de turbopompes.

L' étage EPC est posé sur la table de lancement  et raccordé au sol par les Liaisons Bord-Sol qui permettent le remplissage sur le pad en ergols, la mise en froid des circuits d'alimentation, l'assainissement des tuyauterie et le balayage de la baie de propulsion avec de l'azote gazeux afin d'éviter l'accumulation d'hydrogène gazeux.    

Les liaisons bord-sol LBS de l' étage EPC avec en: 
1/ Ligne de pressurisation LOX
2/ Réglette de destruction
3/ Ligne d' alimentation LOX
4/ Réglette de destruction
5/ Ligne de pressurisation LH2
6/ Sphère de pressurisation réservoir LOX (145 kg d' hélium)
7/ Sphère de pressurisation du système GAM (hélium)

 

La poussée (1 140 kN) est obtenue par éjection à grande vitesse (4000 m-s) du débit de gaz (250 kg/s) produit par la combustion à haute pression (110 bar) et haute température (3 500 K) des ergols dans la chambre de combustion. L'oxygène liquide (comburant) et l'hydrogène liquide (carburant) sont introduits dans la chambre à raison de 200 et 600 litres par seconde à travers un injecteur frontal consistant en 516 éléments coaxiaux qui assurent la pulvérisation et le mélange. 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.

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NOMENCLATURE

DES SIGLES

Le divergent assure l'accélération des gaz en régime supersonique jusqu'au maximum permis par la pression ambiante soit 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". Deux tuyères auxiliaires de chaque coté assurent l'échappement des gaz du générateur et participent également à un complément de poussée.

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. Elle est pourvue d'un dispositif d'équilibrage permettant de diminuer les charges axiales sur les roulements. Elle fait l'objet d'études et d'essais sur la dynamique du rotor particulièrement poussés, car pour atteindre sa vitesse en palier elle doit franchir des vitesses critiques pour la stabilité du rotor.
_ 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. La composition de ses matériaux est étudiée pour minimiser les risques de combustion des métaux dans l'oxygène, en cas de frottements excessifs.

L'énergie nécessaire au fonctionnement des deux turbines 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.

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.

Les vannes sont actionnées par des vérins pneumatiques alimentés en hélium gazeux au moyen d'électrovannes. Le moteur est orientable pour assurer le pilotage du lanceur. Le rapport de mélange peut être modifié en commutant la vanne d'alimentation de la turbine oxygène, ce qui réserve la possibilité d'aboutir à un épuisement quasi simultané des deux réservoirs.

Enfin la partie haute du moteur est enfermée dans une protection thermique destinée à l'isoler du rayonnement des jets des Moteurs à Propergol Solide.

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CARACTERISTIQUES TECHNIQUES

     

    Ariane5 Vulcain 01.JPG (49152 octets)
    Poussée totale dans le vide
     1 140 kN
    Poussée totale au sol
     885 kN
    Impulsion spécifique dans le vide
     431,2 s
    Pression de combustion
    110 bar
    Rapport de section
     45
    Temps de fonctionnement en vol
     575 s
    Durée de vie
     6000 s + 20 démarrages
    Fiabilité
     0,9946
    Hauteur
    3 m
    Diamètre (sortie de tuyère)
    1,76 m
    Masse totale
    1 700 kg
     Débit d'ergols
      
     Total 271 kg/s
     Chambre 262,2 kg/s
     Générateur
     8,8 kg/s
     Rapport de mélange moteur
     5,3

     
    Turbopompe

    LOX

    Type 1 étage axial
    Puissance des turbines  2 000-4 800 kW
    Vitesse de rotation 11 000-14 800 tr/min
    Pression de sortie 45-88 bar
    Pression d'entrée 3,5-7,8 bar
    Température  760-950 °K

     

     

    Turbopompe

    LH2  

    Type 2 étages axials
    Puissance des turbines  7 400-15 500 kW
    Vitesse de rotation 28 500-36 000 tr/min
    Pression de sortie 52-102 bar
    Pression d'entrée 2-6 bar
    Température  760-950 °K

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