Les moteurs de Ariane 5  
   
Dans de très nombreux domaines de notre société, l'encombrement des satellites et leur masse ne font qu'augmenter. Par conséquent, les lanceurs spatiaux doivent évoluer dans les même proportions. C'est ainsi que le nouveau lanceur d'Arian Espace, Ariane V, a été conçu dans une idée de performance mais aussi de fiabilité et de rentabilité. Ariane est équipée de 3 moteurs :
-2 moteurs à propulsion solide : moteurs de l'Etage d'Accélération à Poudre ( EAP ) ;
-1 moteur : Le moteur Vulcain de l'Etage Principal Cryotechnique ( EPC - Vulcain ).


 
  Nous allons voir la structure et le fonctionnement des 3 moteurs à propulsions utilisés sur la fusée Ariane V.  
  I° La structure des moteurs d'Ariane 5
   

1 ) Le moteur Vulcain :


Le moteur Vulcain est le système propulseur de l'EPC ( Localiser en bleu sur le schéma 1). Le moteur avec sa tuyère mesure 3 mètres de haut pour 1.7 mètres de diamètre. Sa durée normale de fonctionnement est de 10 minutes. Conçu par la Snecma, il délivre une poussée moyenne de 1125 kN soit au niveau du sol, une poussée de 115 tonnes (il peut soulever 115 tonnes). On en déduit donc que ce n'est donc pas le moteur principal lors du décollage. En effet à ce moment, la fusée pèse près de 790 tonnes (en réalité, le moteur Vulcain fourni 10 % de la poussée totale effective).
On voit clairement sur la photo à numéro 2, le circuit de refroidissement par hydrogène liquide de la tuyère, ainsi que les éjecteurs d'éjections des gaz chauds provenant de la chambre de combustion secondaire, de chaque cotés de la tuyère. Les gaz s'en échappant sont alors à une température proche de 3300°C. Il est donc indispensable de refroidir le moteur et la tuyère sinon ils fondraient. C'est chose faite grâce à un circuit fermé de refroidissement qui prélève directement de l'Hydrogène liquide dans les réserves de propulsion.
L'E.P.C. (Étage Principal Cryotechnique, localisé en bleu sur le schéma 3) est une sorte de "thermos", de 30 mètres de hauteur et de 5 mètres de diamètre permettant de stocker 25 tonnes d'hydrogène à -253°C et 130 tonnes d'oxygène à -183°C. A cette température, ces gaz sont à l'état liquide et par conséquent un volume inférieur que lorsqu'ils sont à l'état gazeux. L'hydrogène et l'oxygène vont servir à la propulsion assurée par le moteur Vulcain. La consommation de ce dernier est de 270 Kg/s. On en déduit que l'utilisation maximale du Vulcain est de 570 secondes, soit à peu près 10 minutes. Au moment de son largage, cet étage aura un poids de 12 tonnes contre les 170 tonnes initiales au moment du décollage.
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2 ) Les moteurs à propulsions solides:


Les Etages Accélérateurs à Poudre sont aux nombres de deux. Ils ont la forme de deux énormes cylindres terminés par une tuyère. Également dénommés boosters, leur utilisation n'est effective que lors de la première phase du vol, c'est à dire le décollage. Pendant cette courte période d'utilisation, ils vont fournir quelques 90 % de la poussée nécessaire en consommant les 237.7 tonnes de carburant solide contenus dans ces réservoirs de près de 30 mètres de haut. Les EAP sont composés de trois segments chacun fabriqués en des lieux différents :
-- le segment du haut, provenant d'Italie, contient 29 tonnes de propergol.
-- les segments centraux et le segment du bas contiennent à eux deux 109 tonnes de propergol et sont fabriqués directement en Guyane. Ces trois segments, en acier et de 8 mm d'épaisseur, sont assemblés sur place, au CSG(centre spatial guyanais).
Leur jonction fait preuve d'une attention très particulière. C'est plus précisément les joints d'étanchéité qui sont minutieusement vérifiés car, c'est une fuite au niveau des joins des segments qui a causé en 1986 l'explosion de la navette américaine Challenger à son décollage.

   
 
  II° Le fonctionnement

1 ) Le moteur Vulcain:

Le moteur vulcain assure la propulsion de l'E.P.C.. Pour cela, il utilise comme carburant de l'ergol, plus particulièrement il consomme un mélange de di-oxygène et de di-hydrogène stockés à très basses températures , c'est pour cela que l'étage principal est dit cryotechnique car la température de stockage du di-oxygène et du di-hydrogène est respectivement de : -253 et -183 degrés. La réaction résultant du mélange du mélange est la suivante :

1/2 O2 + H2 = H2O

Le moteur Vulcain consomme deux fois plus de di-Hydrogène que de di-Oxygène pour sa propulsion. Cette Propulsion est dite non polluante car la combustion rejette seulement de l'eau sous forme gazeuse. La vitesse de ces mêmes gaz à la sortie de la tuyère est de l'ordre de 4 km/s soit 14400 km/h. Ces chiffres très impressionnants peuvent être attribués à la puissance d'injection des gaz dans la chambre de combustion. En effet deux turbopompes de 33000 tr/min et de 13000 tr/min injectent à très haute pression les constituants du mélange explosif. On a sur le schéma de fonctionnement du Vulcain : en rouge, di-hydrogène liquide aspiré par la turbo-pompe pour alimenter la chambre de combustion secondaire destinée à produire les gaz pour les turbines, pour refroidir la tuyère, et pour d'alimenter la chambre de combustion principale. En jaune on a le chemin du di-oxygène qui alimente la chambre de combustion secondaire et la chambre de combustion principale. Notons également que ce n'est qu'après son allumage et sa vérification que le décollage de la fusée est autorisé, c'est donc un élément primordial de la fusée.

 
     
     

2 ) Les moteurs à propulsions solides:


Le principe de fonctionnement des accélérateurs à poudre est assez basique d'un point de vue général. Il s agit d'une combustion contrôlée d'un carburant solide allant du centre vers le bord conduisant à la libération d'une très grande quantité de gaz qui sert à la propulsion.
En réalité, c'est un peut plus compliqué que ça mais le principe de base reste le même. La difficulté vient de l'agencement spatial du propergol (carburant solide) qui tapisse les parois des boosters. En effet pour une combustion optimale, la libération des gaz doit être la plus grande possible. Voici quelques exemples agencements possibles.
Voici quelques exemples agencements possibles.
En regardant sur les différents graphique correspondant aux agencements intérieurs, on peut observer le graphique montrant la quantité de gaz d'échappement produit par rapport au temps écoulé. On constate facilement que c'est l'agencement numéro 3 qui est préférable. En effet, c'est celui qui permet une combustion la plus continue possible. Ceci est très important car s'il y a un trop forts à-coups, les jonctions EAP / lanceur peuvent être endommagées et ne pas se séparer correctement au moment opportun. Les EAP ont donc un agencement intérieur de la poudre (qui est plutôt une sorte de pâte) sous la 3° forme.

 
 
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