Un moteur principal en test
Les Space Shuttle Main Engines (SSMEs) (« Moteurs principaux de la navette spatiale ») sont les moteurs-fusée principaux de la navette spatiale américaine. L'orbiteur de la navette spatiale est propulsé par trois SSMEs qui sont retirés après chaque vol puis remis à neuf pour une nouvelle utilisation. Ils sont construits par la division de Rocketdyne de Pratt & Whitney. Les SSMEs sont également désignés sous le code RS-24 industriellement.
Les trois moteurs principaux de la navette spatiale brûlent de l'hydrogène liquide et de l'oxygène liquide provenant du réservoir externe. Ils sont utilisés pour la propulsion durant l'ascension de la navette spatiale, en complément des deux boosters plus puissants et parfois de l'Orbital Maneuvering System (OMS). Chaque moteur génère presque 1,8 MN de poussée au décollage. Les moteurs ont une impulsion spécifique (Isp) de 453 secondes dans le vide, ou de 363 secondes au niveau de la mer (vitesses d'éjection de 4 440 m.s et de 3 560 m.s respectivement). Tout compris, un moteur principal de navette pèse environ 3,2 t. Les moteurs sont démontés après chaque vol et conduits au Space Shuttle Main Engine Processing Facility (SSMEPF) pour le contrôle et le remplacement éventuel de chaque pièce.
Les moteurs-fusée de la navette spatiale sont capables de fonctionner à des températures extrêmes. L'hydrogène liquide est stocké à −253 °C. Cependant, lorsqu'il brûle avec l'oxygène liquide, la température dans la chambre de combustion atteint 3 300 °C, supérieure au point d'ébullition du fer. Les trois moteurs principaux consomment ensemble 3 917 litres d'ergol par seconde. Si les moteurs principaux pompaient de l'eau au lieu de l'oxygène liquide et de l'hydrogène liquide, une piscine de taille moyenne serait vidée en 25 secondes.
En plus des trois moteurs principaux, la navette possède 44 petits moteurs-fusée disposés sur sa surface, qui font partie de l'Orbital Maneuvering System (OMS) et du Reaction Control System (RCS), utilisés pour diriger, orienter et effectuer des réglages d'attitude de la navette en orbite.
Les moteurs fonctionnent comme suit : l'hydrogène et l'oxygène stockés dans le réservoir externe entrent dans la navette au niveau du séparateur ombilical navette/réservoir externe connecté aux tuyauteries d'alimentation du système de propulsion principal de la navette. À ce niveau, l'hydrogène et l'oxygène sont chacun répartis vers trois branches, une pour chaque moteur. Dans chaque branche, les pré-vannes doivent être ouvertes pour alimenter les turbopompes basse pression à oxygène et à hydrogène.
Principaux composants du SSME
La turbopompe basse pression à oxygène (LPOTP) est une pompe à flux axial entraînée par une turbine à six étages fonctionnant à l'oxygène liquide. Elle porte la pression de l'oxygène liquide de 7 à 29 bar. Le débit sortant de la LPOTP alimente la turbopompe haute pression à oxygène (HPOTP). Durant le fonctionnement du moteur, cette pressurisation permet à la turbine à haute pression de fonctionner à grande vitesse sans caviter. La LPOTP fonctionne à environ 5 150 tr/min. La LPOTP, qui mesure environ 450 par 450 mm, est connectée à la tuyauterie d'entrée et fixée à la structure de la navette.
La HPOTP est constituée de deux pompes centrifuges à un seul étage (une pompe principale et une pompe "preburner") montées sur un arbre commun et entrainées par une turbine à deux étages à gaz chaud. La pompe principale porte la pression de l'oxygène liquide de 29 à 300 bar et fonctionne à environ 28 120 t/min. Le débit sortant de la HPOTP est divisé en plusieurs flux, dont l'un est utilisé pour entraîner la turbine LPOTP. Un autre flux est dirigé vers la vanne principale d'oxygène et entre dans la chambre de combustion principale. Une faible partie du flux est envoyée vers le vaporisateur d'oxygène. L'oxygène liquide traverse un clapet anti-retour qui l'empêche d'entrer dans l'échangeur de chaleur jusqu'à ce que la température soit suffisante pour transformer l'oxygène liquide en gaz. L'échangeur de chaleur utilise la chaleur contenue dans les gaz sortants de la turbine HPOTP pour transformer l'oxygène liquide en gaz. Le gaz est envoyé vers un collecteur avant d'être dirigé vers le réservoir externe pour pressuriser le réservoir d'oxygène liquide. Une autre partie du flux est envoyé vers le deuxième étage de la pompe HPOTP "preburner" pour porter la pression de l'oxygène liquide de 300 à 510 bar. Ce flux alimente l'« oxydizer preburner » (préchambre de combustion de l'oxygène) via la vanne d'oxygène de « l'oxydizer preburner » et le « fuel preburner » (préchambre de combustion de l'hydrogène) via la vanne d'oxygène du « fuel preburner ». La HPOTP mesure environ 600 par 900 mm. Elle est fixée par des brides au collecteur des gaz chauds.
La turbine HPOTP et les pompes HPOTP sont montés sur le même arbre. Le mélange du gaz chaud riche en hydrogène présent dans la turbine et de l'oxygène liquide dans la pompe principale pourrait créer un accident. Pour éviter cela, les deux sections sont séparées par une chambre qui est continuellement balayée par le circuit d'hélium du moteur durant le fonctionnement de ce dernier. Deux joints limitent les fuites vers la chambre : un joint est situé entre la turbine et la chambre et l'autre entre la pompe et la chambre. La perte de pression d'hélium dans cette chambre entraîne l'arrêt automatique du moteur.
Système de propulsion principal de la navette
L'hydrogène entre dans la navette au niveau de la vanne séparatrice d'alimentation en hydrogène liquide, puis circule dans le collecteur d'hydrogène liquide pour être divisé en trois branches, une pour chaque moteur. Dans chaque branche, une pré-vanne permet à l'hydrogène liquide d'alimenter la turbopompe basse pression à hydrogène, lorsque la pré-vanne est ouverte.
La pompe basse pression à hydrogène (LPFTP) est une pompe axiale entrainée par une turbine à deux étages fonctionnant à l'hydrogène gazeux. Elle porte la pression de l'hydrogène liquide de 2 à 19 bar et l'envoie à la pompe haute pression à hydrogène (HPFTP). Durant le fonctionnement du moteur, la surpression fournie par la LPFTP permet à la HPFTP de tourner à grande vitesse sans caviter. La LPFTP fonctionne à environ 16 185 tr/min et mesure environ 450 par 600 mm. Elle est connectée au circuit d'ergol de la navette et est fixée à la structure de la navette à 180 degrés de la LPOTP.
La HPFTP est une pompe centrifuge à trois étages entrainée par une turbine à deux étages à gaz chaud. Elle porte la pression de l'hydrogène liquide de 19 à 450 bar. La HPFTP fonctionne à environ 35 360 tr/min. Le débit sortant de la turbopompe est dirigé vers la vanne principale puis est divisé en trois flux. Un des flux est envoyé vers la chemise de la chambre de combustion principale, où l'hydrogène est utilisé pour refroidir les parois de la chambre. Il est ensuite renvoyé vers la LPFTP, où il est utilisé pour entraîner la turbine LPFTP. Une petite partie du flux sortant de la LPFTP est ensuite dirigée vers un collecteur commun au trois moteurs avant d'être envoyé vers le réservoir externe pour maintenir la pressurisation du réservoir d'hydrogène liquide. L'hydrogène restant passe entre les parois interne et externe du collecteur des gaz chauds pour le refroidir et est évacué dans la chambre de combustion principale. Le deuxième flux d'hydrogène issu de la vanne principale est dirigé vers la tuyère du moteur, pour la refroidir. Il rejoint ensuite le troisième flux en provenance de la vanne de refroidissement de la chambre. Le flux combiné est finalement dirigé vers le fuel preburner et l'oxidizer preburner. La HPFTP mesure environ 550 à 1 100 mm. Elle est fixée par des brides au collecteur des gaz chauds.
Alignement d'un moteur pour son montage sur une navette