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 des satellites sur orbite géostationnaire et des charges lourdes en orbite basse. Il fait partie de la famille des...) 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 « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents niveaux selon ceux-ci.) d'œuvre à Snecma (Le Groupe Snecma est l'ancien nom d'un ensemble intégré au Groupe Safran. Cet ensemble comprend diverses entreprises dont la principale est la Snecma.) Moteurs. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) du programme a été financé par l'Agence spatiale européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est une agence spatiale intergouvernementale fondée le 31 mai 1975. Elle est chargée de la coordination des...).

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 les airs par ses propres moyens. C'est l'équivalent en aéronautique du voyage inaugural pour un bateau.), le 4 juin 1996, le moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) 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 quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) et ses vannes d'alimentation ;
  • EADS Astrium (EADS Astrium est une filiale du groupe EADS (European Aeronautic Defence and Space company) présente en France, Allemagne, Grande-Bretagne, aux Pays-Bas et en Espagne et spécialisée dans...) (Allemagne) a développé la chambre de combustion (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et de température brusques, dans laquelle on déclenche volontairement une...) avec sous-contrat à Volvo (Volvo, fondée en 1927 en Suède avec l'aide de la société SKF, est un constructeur de véhicules et de moteurs.) 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 élévation de température permettant de porter une partie de sa masse au-dessus de sa température d'inflammation (ti-380°C).) 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 (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant...) 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 combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.), 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 et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce...) en sortie de tuyère (Une tuyère ou tuyère propulsive, dans le domaine de l'astronautique, est un conduit (appelé aussi divergent) de section conique (fusées de feu...) de 1,76 m.

La poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) 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 d'une surface quelconque.) 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 symbole O et de numéro atomique 8.) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) 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 combustion.) 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 étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...) élevée de combustion, la chambre est refroidie par circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) 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, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la modification affectant la...) 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 d'hélice est dit hélicoïdal.) 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 à la surface sur laquelle elle s'applique.) 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 fonction d'induire un champ électromagnétique dans un...) axial et d'une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.) 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 chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 l'univers.) 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 sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au dixième de...) 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 statique - au sol - vers le vol.). Il est assuré par un démarreur (Le démarreur est un moteur électrique auxiliaire alimenté par la batterie d'accumulateurs et destiné à lancer un moteur à combustion interne pour...) 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 quotient de deux grandeurs, dont l'une est la poussée d'un propulseur, et l'autre le produit du débit...) 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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