CHRONOLOGIE ARIANE

LE MOTEUR VULCAIN 2.1

Le Vulcain 2.1 destiné à Ariane 6 est un moteur cryogénique brûlant des propergols cryogéniques, LOX et LH2 et utilisant un générateur de gaz et 2 turbopompes indépendantes. Il est une évolution du Vulcain 2 d'Ariane 5E avec les mêmes performances (poussée de 137 tonnes dans le vide) mais introduisant de nouvelles technologies, notamment impression 3D, permettant de réduire les couts sur le lanceur et les opérations au sol.

Vulcain 1 vs Vulcain 2

Le Vulcain 1 est un moteur à flux dérivée dans lequel les turbopompes qui alimentent la chambre de combustion, sont entraînées par la combustion, dans un générateur de gaz unique, des ergols prélevés (3 %) sur le circuit principal. 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. Les ergols sont injectés dans la chambre de combustion sous très grande pression, 110 bars à travers un injecteur frontal avec 516 éléments coaxiaux. Le refroidissement de la chambre est assuré par la circulation du LH2 à l'intérieur même par l'intermédiaire de 320 canaux longitudinaux usinés dans la paroi. Les gaz du générateur sont évacués par deux échappements de chaque coté de la tuyère. La tuyère aussi est refroidit par circulation dans ses parois de l'hydrogène liquide à -250°C, procédé "dump cooling". La version Vulcain 2 est plus puissante, 20% de plus de CU avec une tuyère nouvelle dont le refroidissement est assuré par la circulation de l'hydrogène dans 300 petites canalisations, soit moitié moins que la version 1. Les gaz chauds de la turbine sont réinjectés dans la tuyère.

Vulcain 2

La version Vulcain 2.1 utilise le même principe de fonctionnement avec un rapport de mélange LOX-LH2 de 6,03, un débit de 326 kg/s d'ergols dans la chambre (sous118,5 bars), une poussée de 137 tonnes dans le vide pour une masse de 2150 kg. Il brule 154 tonnes d'ergols en 500 secondes de vol.
Le moteur utilise, par exemple une nouvelle tuyère réalisée en matériaux sandwichs (SWAN), à la place de la technologie en tubes, un générateur de gaz réalisé par impression 3D, une nouvelle vanne gaz chauds électrique, ou encore un réchauffeur oxygène dans les conduites d'échappements pour la pressurisation du réservoir oxygène de l'étage principal du lanceur Ariane 6, à la place de l'hélium liquide très couteux. Le tore de ré-injection des gaz chauds situé à mi hauteur sur la tuyère est supprimé et 2 lignes d'éjection similaire à la version Vulcain 1 sont rajoutées. Une protection thermique a été rajoutée sur la tuyère (tuiles d'iconel renforcées) et les lignes d'éjection (couches de Nextel, Fibermax et Nextel) protégeant de l'environnement des boosters ESR. Le moteur pèse près de 2000 kg pour 3,6 m de hauteur et 2,1 m de diamètre en sortie de tuyère. Les modifications adoptées sont destinées à la réduction du coût de production et n'ont pas vocation à accroître les performances du moteur. Vulcain 2.1 contribue ainsi à l'atteinte des objectifs de coûts du lanceur Ariane 6, tout en conservant l'efficacité et la fiabilité démontrées sur Ariane 5.

La tuyère du Vulcain 2.1. Fabriqué par GKN Aerospace. Elle mesure 2,5 m de diamètre, intègre des technologies innovantes avec des performances plus élevées, des délais d'exécution plus courts et une réduction substantielle des coûts. L'utilisation à grande échelle du soudage au laser et du dépôt de métal au laser (fabrication additive) pour les principales caractéristiques structurelles a entraîné une réduction de 90 % des composants, passant d'environ 1000 pièces à 100 pièces

La chambre de combustion du vulcain 2. Sur la partie haute viendra de fixer le dôme avec les injecteurs LOX et LH2. C'est aussi par ce dôme qu'arrive l'oxygène liquide. En bas, le tore par lequel arrive le LH2. Il circule dans les parois de la tuyère pour la refroidir ainsi que dans les parois de la chambre avant de remonter vers le dôme ou il sera injecté à l'oxygène.

Modèle M1 du Vulcain 2.1 en octobre 2017 a son arrivée au DLR à Lampoldshausen, Allemagne: hauteur 3.6 m pour 2.1 m de diamètre ne sortie de tuyère

Les différentes modifications apportées au moteur ont été qualifié au travers de 3 campagnes de tests avec les moteurs M1 (développement), M2 (qualification) et M1R (tests d'acceptance et sur l'ELA4), réalisées entre début 2017 et mi 2019. Parallèlement, les bancs P5 en Allemagne et PF50 en France sont aussi modifiés pour les tests de mises à feu. Les tests du moteurs débutent en 2018 et poursuivent les essais du Vulcain 2 réalisés au cours des campagnes M201 à 209 et ARTA, la consolidation pour les programmes Galiléo ATV et ECA et de quelques 80 vols Ariane 5 ECA.

Ce moteur Vulcain 2, la "tête à l'envers" a servit pour qualifier les nouveaux moyens de montage du Vulcain 2.1 à Vernon. il a été baptisé "le mulet".

Premier moteur Vulcain 2.1 début 2016

Le Vulcain 2.1 ressemble au Vulcain 1 dans son aspect externe avec ses 2 échappements du générateur de gaz qui contrairement au Vulcain 2 ne sont plus réinjecté dans la tuyère, le gain en performance n'étant pas compensé par le cout de fabrication.

Le premier moteur Vulcain 2.1 M1 est testé pour la première fois le 23 janvier 2018 sur le site de Lampoldshausen en Allemagne durant 630 secondes. Suivent 12 autres mises à feu jusqu'à la mi 2018 totalisant 6315 secondes de fonctionnement. Il a  constitué la première étape de validation technique du bon fonctionnement du moteur et de ses nouveaux composants ainsi que les adaptations du banc d'essai. Le second moteur M2 est mis à feu pour la première fois en novembre 2018 et cumule 5610 secondes de fonctionnement en 9 tests jusqu'en juillet 2019. Le moteur a permit de le tester tous son domaine de fonctionnement vol (poussée, rapport de mélange, conditions d'alimentation en ergols). Tous les essais de réception des moteurs de vol en phase de production, à partir de 2019, sont réalisés au banc PF50 du site ArianeGroup de Vernon. Le moteur M1, remis en état devient le M1R. Après ses essais d'acceptance, il est  monté sur l'étage LLPM aux Mureaux et sert pour les essais de qualification CTM-L au CSG sur l'ELA 4.

Vue des 4 bruleurs" sous la tuyère du moteur Vulcain servant à bruler l'excédent d'hydrogène de la mise en froid pendant l'allumage du moteur. Traditionnellement l'allumeur est dans la chambre, un démarreur sert pour lancer les turbopompes. Sur le Vulcain 2.1, il y a toujours le démarreur mais plus d'allumeur Pyro ni d'Amf, remplacés par les brûleurs à gaz.

Sur le banc d'essai de la DLR, le Vulcain 2.1 en cours de test. Le tore d'azote sert à canaliser vers le bas l'excédent d'hydrogène gazeux sortant de la tuyère lors de la mise en froid avant l'allumage. Juste en dessous l'eau pour le refroidissement du déflecteur de jet.