Vulcain (moteur-fusée) - Définition
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Introduction
Vulcain est un moteur cryogénique propulsant l’Étage Principal Cryotechnique (EPC) du lanceur Ariane 5. Bien que mis en fonctionnement au sol pour des raisons techniques, il n'assure environ que 10% de la poussée au décollage et sert principalement pendant la deuxième phase de vol, après le largage des deux boosters latéraux ou Étages d’Accélérations à Poudre (EAP ou P230), assurant eux 90% de la poussée au décollage.
Plusieurs versions de ce moteur existent :
- Vulcain pour la version générique d'Ariane 5.
- Vulcain 2 pour la version ECA d'Ariane 5 (poussée plus importante).
Développement
Le développement de Vulcain a débuté en 1988 suite au lancement du programme Ariane 5 par les ministres européens lors de la conférence de La Haye.
Le développement du moteur Vulcain a été assuré par une coopération européenne. Le CNES a assuré la direction technique et financière du programme et a confié la maîtrise d'œuvre à Snecma Moteurs. L'ensemble du programme a été financé par l'Agence spatiale européenne.
Après des essais au niveau des composants, les essais moteurs ont débuté en avril 1990.
Au moment du premier vol, le 4 juin 1996, le moteur 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, le générateur de gaz et ses vannes d'alimentation ;
- EADS 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 ;
- 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 (Royaume-Uni) les lignes d'alimentation et DEVTEC (Irlande) les supports.
Spécifications techniques
| Version | Vulcain 1 (Vulcain 1B) | Vulcain 2 |
|---|---|---|
| Hauteur | 3 m | 3,45 m |
| Diamètre | 1,76 m | 2,10 m |
| Masse | 1686 kg | 2100 kg |
| Propergols | Oxygène liquide (LOX) et Hydrogène liquide (LH2) dans un rapport 5,9:1 | Oxygène liquide (LOX) et Hydrogène liquide (LH2) dans un rapport 6,1:1 |
| Vitesse de rotation des turbopompes | 11 000 – 14 800 rpm (LOX) resp. 28 500 – 36 000 rpm (LH2) | 11 300 – 13 700 rpm (LOX) resp. 31 800 – 39 800 rpm (LH2) |
| Puissance de la turbopompe | 2,0 – 4,8 MW (LOX) resp. 7,4 – 15,5 MW (LH2) | 3,7 – 6,6 MW (LOX) resp. 9,9 – 20,4 MW (LH2) |
| Pression dans la chambre de combustion | 100 bar (110 bar) | 115 bar |
| Poussée dans le vide | 1120 kN (1140 kN) | 1340 kN |
| Poussée au sol | 815 kN | 960 kN |
| Impulsion spécifique dans le vide (SI) | 4228 m/s | 4228 m/s |
Technologie
Le fonctionnement de Vulcain est fondé sur le cycle à flux dérivé, dans lequel les turbopompes qui alimentent la chambre sont entraînées par la combustion, dans un générateur de gaz, des ergols prélevés (3%) sur le circuit principal. Le moteur complet mesure 3 mètres, pour un diamètre en sortie de tuyère de 1,76 m.
La poussée de 1 140 kN (114 tonnes) est obtenue par éjection à grande vitesse du débit de gaz (250 kg/s) produit par la combustion des ergols dans la chambre de combustion. L'oxygène liquide et l'hydrogène liquide sont introduits dans la chambre à travers un injecteur frontal consistant en 516 éléments coaxiaux. 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.
Le divergent assure l'accélération des gaz en régime supersonique jusqu'à 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 ».
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 ;
- 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 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.
La durée de vie maximale du moteur est de 6000 secondes et 20 démarrages. L'impulsion spécifique atteint dans le vide 431,2 s.
Vulcain 2 est une optimisation de Vulcain, portant la poussée à 1350 kN, et l'impulsion spécifique à 434,2 s. Sa hauteur atteint 3,60 m, pour un diamètre en sortie de tuyère de 2,15 m. La turbopompe à hydrogène développe 14 MW.
