Moteur Vulcain - Définition et Explications

Moteur de Vulcain au Musée des Sciences et des Techniques de la Villette à Paris
Moteur de Vulcain au Musée des Sciences et des Techniques de la Villette à Paris

Vulcain est un moteur cryogénique propulsant le premier étage du lanceur Ariane 5.

Plusieurs versions de ce moteur existent :

  • Vulcain ;
  • Vulcain 2.

Développement

Le développement de Vulcain a débuté en 1988 suite au lancement du programme Ariane 5 (Ariane 5 est un lanceur de l'Agence spatiale européenne (ESA), développé pour placer...) par les ministres européens lors de la conférence de La Haye.

Le développement du moteur Vulcain (Vulcain est un moteur cryogénique propulsant le premier étage du lanceur Ariane 5.) a été assuré par une coopération européenne. Le CNES a assuré la direction technique et financière du programme et a confié la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de...) d'œuvre à Snecma (Le Groupe Snecma est l'ancien nom d'un ensemble intégré au Groupe Safran. Cet ensemble comprend...) Moteurs. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) du programme a été financé par l'Agence spatiale européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est...).

Après des essais au niveau des composants, les essais moteurs ont débuté en avril 1990.

Au moment du premier vol (Le premier vol ou vol inaugural d'un avion est la première occasion pour celui-ci de prendre...), le 4 juin 1996, le moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) Vulcain cumulait une expérience de 285 essais, totalisant 85 000 secondes de fonctionnement. Conformément aux principes de l'ESA, de nombreux industriels sont impliqués dans le programme:

  • Snecma Moteurs (France) a développé la turbopompe hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), le générateur de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) et ses vannes d'alimentation ;
  • EADS Astrium (EADS Astrium est une filiale à 100 % d'EADS dédiée aux systèmes et...) (Allemagne) a développé la chambre de combustion (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et...) avec sous-contrat à Volvo (Volvo, fondée en 1927 en Suède avec l'aide de la société SKF, est un constructeur de véhicules...) Aero Corp. (Suède) pour le divergent et à MAN Technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) (Allemagne) pour le cardan et la protection thermique ;
  • Avio (Italie) a développé la turbopompe oxygène ;
  • Volvo Aero Corp. (Suède) les turbines hydrogène et oxygène ;
  • Techspace Aero (Belgique) les vannes d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) 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 (Pour s'enflammer, le mélange air-essence, un gaz contenu dans le cylindre doit subir une...) et démarrage ;
  • AVICA (Grande-Bretagne) les lignes d'alimentation et DEVTEC (Irlande) les supports.

Technologie

Le fonctionnement de Vulcain est fondé sur le cycle à flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) dérivé, dans lequel les turbopompes qui alimentent la chambre sont entraînées par la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...), dans un générateur de gaz, des ergols prélevés (3%) sur le circuit principal. Le moteur complet mesure 3 mètres, pour un diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) en sortie de tuyère (Une tuyère ou tuyère propulsive, dans le domaine de l'astronautique, est un conduit (appelé...) de 1,76 m.

La poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air...) de 1 140 kN (114 tonnes) est obtenue par éjection à grande vitesse (On distingue :) du débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers...) de gaz (250 kg/s) produit par la combustion des ergols dans la chambre de combustion. L'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) et l'hydrogène liquide sont introduits dans la chambre à travers un injecteur (Un injecteur est un élément de moteur permettant l'apport du carburant dans la chambre de...) frontal (Un frontal est un équipement informatique.) consistant en 516 éléments coaxiaux. Du fait de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) élevée de combustion, la chambre est refroidie par circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) de l'hydrogène dans 360 canaux longitudinaux usinés dans la paroi.

Le divergent assure l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) des gaz en régime supersonique (Supersonique signifie « supérieur à la vitesse du son ».) jusqu'a 4 000 m/s. Il est constitué de 456 tubes enroulés en hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme...) et refroidis par circulation d'hydrogène, selon le procédé de " dump cooling ".

L'alimentation du moteur en ergols à haute pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) se fait par deux turbopompes indépendantes :

  • la turbopompe hydrogène tourne à 33 000 tr/min et développe une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de 12 MW. Elle est constituée d'une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) à deux étages centrifuges associés à un inducteur (L'inducteur est une organe électrotechnique, généralement un électroaimant, ayant comme...) axial et d'une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...) supersonique à deux étages ;
  • 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.

L'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) 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 (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) 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 (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent...) du lanceur ( Lanceur, terme de l'astronautique Lanceur, terme du baseball ) et son décollage (Le décollage est la phase transitoire pendant laquelle un aéronef passe de l'état...). Il est assuré par un démarreur (Le démarreur est un moteur électrique auxiliaire alimenté par la batterie d'accumulateurs et...) à poudre qui met en vitesse les turbopompes et ce sont des allumeurs pyrotechniques qui initient la combustion dans la chambre et le générateur.

La durée de vie (La vie est le nom donné :) maximale du moteur est de 6000 secondes et 20 démarrages. L'impulsion spécifique (L'impulsion spécifique (notée généralement Isp), dans le domaine de l'astronautique, est le...) atteint dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) 431,2 s.

Vulcain 2 est une optimisation de Vulcain, portant la poussée à 1350 kN, et l'impulsion spécifique à 434,2s. Sa hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) atteint 3,60 m, pour un diamètre en sortie de tuyère de 2,15 m. La turbopompe à hydrogène développe 14 MW.

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