Tout sur les moteurs des lanceurs !

Les moteurs de lanceurs :

Introduction :

Pour vous mettre en bouche, je propose de baisser votre volume et de lancer la vidéo d'où provient le gif de l'article, et de profiter ;)

SpaceX Testing - Merlin Ablative

Maintenant que vous êtes (littéralement) soufflés, découvrons tous les secrets des moteurs des lanceurs.

Le principe d'action/réaction :

« L'action est toujours égale à la réaction ; c'est-à-dire que les actions de deux corps l'un sur l'autre sont toujours égales et de sens contraires. » — Isaac Newton, physicien & mathématicien.

C'est par cette phrase que Newton énonca le principe "d'action/réaction" en 1687 dans son ouvrage 'Philosophiae naturalis principia mathematica'.

C'est ce principe qui va nous guider dans cet article, car il stipule qu'une force engendrée dans un sens va créer une force de vecteur (soit direction et intensité) opposé.

Ainsi, lancer une masse lourde à vitesse faible, ou une masse faible à grande vitesse va créer une force contraire. Sur ce principe se basent tous les moteurs dits 'à réaction'.

Schéma du principe d'action/réaction d'un moteur fusée

Leur principe de fonctionnement repose sur la projection d'un fluide vers l'arrière, causant par réaction une poussée au véhicule vers l'avant.

Il existe deux grands types de propulseurs à réaction, en fonction de l'origine de la matière projetée en arrière :

  • ceux qui projettent une matière provenant du corps de l'engin : moteur-fusée, propulsion électrique, propulsion photonique, etc ;

  • ceux qui utilisent un fluide préalablement absorbé par le véhicule, à l'avant, et accéléré, avant d'être projeté vers l'arrière, soit les "réacteurs" qu'on trouve sur les avions de ligne par exemple. Comme pour les moteurs fusées, il y en a de nombreux types : turboréacteur, statoréacteur, superstatoréacteur...

La poussée :

La poussée est le résultat de l'éjection des particules de gaz vers l'arrière de la fusée à une certaine vitesse.

En fait, la poussée est le résultat de la conversion de l'énergie thermique prenant naissance dans la chambre de combustion du moteur et se transformant en énergie cinétique lors du trajet du flux de gaz tout au long de la tuyère (nous y reviendrons plus tard).

La relation donnant la valeur de la force de poussée est la suivante :

F = v.q + A.(P1-Pa)

  • F, poussée en newton (N) -> la force avec laquelle le moteur "pousse" la fusée.

  • v, vitesse d'éjection des gaz en m/s

  • q, débit massique en kg/s

  • A, aire de la section de sortie de la tuyère en mètres carrés

  • P1, pression à la sortie de la tuyère en Pa

  • Pa, pression ambiante ou pression à l'extérieur en Pa

Pour simplifier, une grande valeur de poussée signifie que le moteur va accélerer la fusée très rapidement et facilement.

L'Impulsion spécifique :

Une caractéristique capitale d'un moteur de lanceur est la poussée produite par kilogramme d'ergols brûlés éjectés. Ce rapport s'appelle IMPULSION SPECIFIQUE (Isp). En gros, elle mesure la force exercée par l'engin en fonction de la quantité de carburant consommé par unité de temps.

Pour simplifier encore plus, l'impulsion spécifique permet de comparer l'efficacité d'un système de propulsion : plus elle est grande, plus le système est efficace.

Valeur de l'impulsion spécifique pour différents types de moteurs à réaction:

Relation Poussée/Impulsion spécifique :

On ne peut tout avoir dans la vie ! Ainsi, combiner grande poussée et grande impulsion spécifique reste presque du mythe.

À poussée égale, plus l'impulsion spécifique d'un propulseur est grande, moins il consomme d'ergols.

Or, moins d'ergols (les carburants) dans la chambre de combustion signifie que moins de réactions chimiques vont se produire, et la poussée va diminuer.

Quelques chiffres : prenons un moteur Merlin1D+ des Falcon de chez SpaceX. Son impulsion spécifique est de +-350sec et sa poussée de 845 kN. C'est une combinaison correcte de ces deux paramètres, qui permet de faire décoller le lanceur et sa charge utile sans consommer trop d'ergols.

Les tuyères :

Je pourrai passer un article ENTIER pour parler des tuyères.

Ce sont les éléments que le grand public prends pour "le moteur" du lanceur. Or ce n'est que l'élément le plus visible, mais pas forément le plus simple.

En général :

Le but d'une tuyère est d'accélérer les gaz créés lors de la combustion dans la chambre de combustion d'un moteur-fusée, ou même d'un réacteur d'avion de chasse par exemple.

Intéressons nous aux tuyères montées sur les moteurs fusées. La majorité de ces tuyères sont du type "Tuyères de Laval".

Les gaz vont passer dans un milieu dont le diamètre va se rétrécir, augmenter. Lors du rétrécissement, la vitesse du gaz augmente. La vitesse du gaz ne peut toutefois pas dépasser celle du son (Mach 1).

En effet en régime d'écoulement supersonique (vitesse supérieure à la vitesse du son) le comportement du gaz s'inverse : pour que sa vitesse augmente il faut que le diamètre du tuyau augmente.

Donc, une tuyère peut être convergente, divergente ou à la fois convergente et divergente :

  • Une tuyère convergente permet d'accélérer des gaz circulant à des vitesses subsoniques. Si la pression est suffisante, la vitesse peut atteindre Mach 1 à la sortie de la tuyère mais elle ne peut dépasser cette valeur.
  • Une tuyère divergente permet d'accélérer des gaz qui sont déjà à vitesse supersonique à l'entrée de celle-ci.
  • Une tuyère convergente et divergente devient une tuyère de Laval.

Les tuyères de Laval :

Une tuyère de Laval permet d'accélérer des gaz d'une vitesse subsonique jusqu'à une vitesse supersonique en combinant les effets décrits ci-dessus.

Les gaz sont accélérés jusqu'à Mach 1 dans la section convergente de la tuyère puis ils sont accélérés au-dessus de Mach 1 dans la section divergente. Une tuyère de Laval comporte donc trois sous-ensembles :

  • le convergent où le diamètre se réduit, relié à la chambre de combustion,
  • le col où le diamètre est au minimum,
  • le divergent qui peut être en forme de cône ou de cloche, partie visible lors des lancements.

Ici, la courbe rouge représente la température, et la verte représente la pression des gaz. La bleue représente leur vitesse. En effet, la tuyère transforme leur énergie thermique (et leur pression liée) en énergie cinétique. Lors de l'éjection à haute vitesse, par action/réaction, le lanceur va s'élever.

En pratique les vitesses des gaz brulés s'inscrivent dans les fourchettes suivantes :

  • 1 700 à 2 900 m/s pour des moteurs-fusées à monergol liquide
  • 2 900 à 4 500 m/s pour des moteurs-fusées à ergols liquides
  • 2 100 à 3 200 m/s pour des moteurs à propergol solide

Nous reviendrons sur ces types de moteurs par la suite.

Les compromis entre forme de tuyère et performance en fonction de l'altitude :

Comme la tuyère sert à adapter la pression des gaz avec celle de l'air ambiant, si la tuyère ne change pas sa forme, en montant dans l'air, la pression extérieure diminuera et la pression de sortie ne sera pas parfaitement adaptée au milieu environnant.

Ce désaccord entre les pressions fait perdre au moteur un peu de son efficacité.

Schéma de régimes de fonctionnement d'une tuyère de moteur-fusée en fonction de l'écart entre la pression des gaz en sortie du divergent et la pression extérieure ambiante. De gauche à droite :

  • 1: Sous-détente des gaz en sortie de divergent : la pression ambiante est inférieure à la pression des gaz
  • 2: Tuyère adaptée : égalité de la pression des gaz en sortie et de la pression ambiante (régime optimal)
  • 3: Sur-détente des gaz en sortie du divergent (pression ambiante trop grande)
  • 4: Sur-détente importante des gaz en sortie du divergent avec décollement du flux le long de la paroi du divergent (pression vraiment trop importante, cas d'allumage d'une tuyère otpimisée pour le vide spatial dans l'air)

Quelques bonus :

Des tuyères très optimisées peuvent mesurer une longueur assez importante. Ainsi, certaines tuyères sont déployables en vol avant l'allumage du moteur. Sur le lanceur, c'est une extension qui descend et se fixe sur la tuyère originelle.

Les poussées nécessaires pour propulser une fusée sont énormes : elles peuvent atteindre 800 tonnes pour les moteurs-fusées à ergols liquides et 1500 tonnes pour les propulseurs à propergol solide. Ainsi, pour obtenir de telles poussées les pressions et les températures sont portées aux limites de ce que peuvent supporter les matériaux au contact des gaz chauds. La conception d'une tuyère repose largement sur la mise au point de techniques de refroidissement et la sélection de matériaux adaptés.

Toute la force propulsive d'une fusée s'applique sur la tuyère, ce qui génère des contraintes mécaniques maximum au niveau du col. De façon imagée, on peut dire que tout le poids de la fusée (pouvant atteindre plusieurs centaines de tonnes) repose uniquement sur le col de la tuyère !

Des tuyères plus performantes ?

Certaines tuyères pour lanceurs sont à l'étude, et pourraient encore mieux régler le problème de la pression que les tuyères extensibles.

Ces tuyères, dites "Aerospike" permettent d'optimiser l'efficacité de la propulsion dans une large gamme d'altitudes.

Un moteur-fusée équipé d'une tuyère aerospike utiliserait 25 à 30 % de carburant en moins à basse altitude là où les lanceurs ont besoin des poussées les plus importantes. Ce type de tuyère fait l'objet d'études depuis le début de l'ère spatiale mais sa mise au point se heurte au problème de refroidissement de la rampe qui canalise le jet de gaz. Seuls des prototypes de ce type de tuyère ont été construits.

Similarité entre les moteurs-fusées et les moteurs à réactions "classiques" montés sur des avions :

Les avions munis de réacteurs, qu'ils soient militaires ou civils, possèdent des moteurs similaires à ceux d'une fusée, hormis le fait que leurs tuyères ne possèdent pas de divergent (les gaz sortent juste par le col de tuyère) et que les carburants sont moins "explosifs" : ces avions volent par portance sur les ailes et pas juste propulsion verticale.

Cependant, certains avions sont dotés de post-combustion. C'est un système utilisé par les avions militaires supersoniques pour augmenter temporairement la poussée fournie par un turboréacteur.

Cette technique consiste à injecter et enflammer, à l'aide de brûleurs auxiliaires, du kérosène derrière la turbine du moteur, d'où le terme « post », dans les gaz d'échappement du réacteur, ce qui a pour conséquence une augmentation importante de la poussée. En contrepartie, la consommation de carburant augmente de façon significative.

Vous la voyez ici en action sur les deux moteurs M88-2 du Rafale français. Ces turboréacteurs ont une postcombustion qui lui offre une poussée "à sec" de 50kN, et avec postcombustion de 75kN (à comparer avec la poussée d'UN seul Merlin, de 845kN ; cependant ils n'ont pas le même but !)

Breaking, 7G Vous pouvez retrouver cette photo sur mon Flickr : Space_Baguette

La tuyère de ces avions peut souvent changer de forme : les cônes formant le col de la tuyère bougent afin d'étendre ou de diminuer le diamètre du col de tuyère, en accélérant les gaz "secs" ou laissant passer les flammes de la post-combustion.

Les différents types de moteurs de lanceurs :

Maintenant que les bases sont posées, je vais m'intéresser en détail à tous les aspects de tous les moteurs que l'on retrouve sur les lanceurs, et même sur les sondes et satellites.

En voilà le sommaire :

  • Moteurs à gaz froid
  • Moteurs à ergols solides
  • Moteurs à ergols liquides
  • Moteurs nucléaires
  • Moteurs ioniques
  • Autres (EM Drive, à explosion...)

Les moteurs à gaz froid :

Principe :

La propulsion à gaz froid est une technique de propulsion spatiale utilisées par les engins spatiaux pour effectuer de petites corrections d'orientation ou de vitesse.

Un propulseur à gaz froid utilise un gaz stocké sous haute pression qui est simplement libéré dans une tuyère qui permet d'orienter la poussée exercée. Parfois, ce gaz se décompose sur un catalyseur.

La propulsion à gaz froid permet d'exercer des poussées très faibles et de courte durée. Le système est très simple car les vannes sont les seules pièces mobiles et il n'est le siège d'aucune combustion. Par conséquent il est d'une grande fiabilité.

Par contre la vitesse d'éjection des gaz est faible,de l'ordre de 800 à 1500 m/s et la poussée ne peut dépasser 50 Newton.

Ces caractéristiques le réservent généralement au contrôle d'attitude d'un satellite ou d'une sonde spatiale qui ne nécessite que de très faibles poussées, mais répétées un très grand nombre (jusqu'à plusieurs dizaines de milliers pour une sonde spatiale) et consommant une quantité de carburant limitée sur la durée d'une mission ce qui permet de rendre acceptable le mauvais rendement. Souvent, on utilise de l'hélium ou de l'azote, et lorsque le moteur se doit d'être (tout est relatif) puissant, on utilise un catalyseur et de l'hydrazine.

En pratique :

Les moteurs à gaz froid ont une ISP qui varie entre 50 et 170 secondes, une poussée entre 0,05N et 20N, et servent souvent au contrôle d'orbite et d'attitude, tel que l'on en à parlé sous le nom de "RCS" dans l'article sur le guidage des lanceurs.

Ces moteurs se nomment "Gaz froid" car, via l'effet Venturi, le gaz accélere et perd sa chaleur, ce qui amène ce gaz à des températures très basses.

Les moteurs à ergols solides :

Principe :

La propulsion à propergol solide désigne une technique de propulsion qui utilise une poudre compacte. Le bloc de poudre est percé par un canal longitudinal qui sert de chambre de combustion.

Lorsque le propulseur est allumé, la surface du bloc de poudre se met à brûler en produisant des gaz de combustion sous haute pression qui sont expulsés par la tuyère. En donnant une géométrie particulière au canal on peut, dans une certaine mesure, définir une courbe de poussée répondant au besoin propre à son utilisation.

Ce type de propulseur est plus simple à concevoir qu'un propulseur à propergols liquides et peut délivrer des poussées très importantes à coût relativement faible par rapport à celui-ci (le propulseur de la navette spatiale a une poussée de 1 250 tonnes).

Leur impulsion spécifique est par contre nettement plus faible (environ deux fois plus faible) et leur poussée est faiblement modulable et ne peut généralement pas être arrêtée avant la fin de la combustion.

Ce sont donc de gros feux d'artifices inarrêtables et très puissants mais très gourmands. Ceux de la navette fournissaients 71,4% de la poussée totale (plus de 3000tonnes à envoyer à 7,7km.s^-1 !) mais brulaient très vite (123sec).

Certains des propulseurs peuvent contrôler l'orientation de la poussée.

La tuyère peut être montée sur un cardan comme dans le cas des EAP d'Ariane 5 par exemple. On peut aussi avoir recours à des déflecteurs de gaz ou injecter des liquides dans le jet de gaz sortant de la tuyère.

Dans ce cas, un liquide est injecté après le col de la tuyère, une réaction chimique se produit avec les gaz générés et l'ajout de cette masse non symétrique sur un côté du jet crée un couple qui permet de faire pivoter la fusée. Les propulseurs à propergol solide de la fusée Titan III C utilisent à cet effet du peroxyde d'azote par exemple.

En pratique :

Les propulseurs solides sont souvent utilisés pour accélérer la fusée au décollage, ce sont les fameux "Boosters" de la Navette Spatiale ou les EAP sur Ariane5. Par exemple, ces EAP fournissaient en moyenn 550 tonnes de poussée pendant 129 secondes avec une ISP de 240 secondes : leur temps de vol est plus court que leur ISP, il sont donc rentables et puissants. Ils mesurent 31 x 3 mètres et leur mélange est constitué de perchlorate d'ammonium, poudre d’aluminium et polybutadiène.

Sur la fusée SaturnV, des petits moteurs solides servaient à séparer les deux étages et plaquer les carburants liquides vers l'entrée des pompes, mais nous reviendrons dessus juste après.

Prenons par exemple la fusée Vega, le lanceur léger d'Arianespace. Ses 3 premier étages (sur 4) sont des moteurs solides, comme l'était le premier étage de Ares1-X.

Ils sont donc utilisés comme booster, étages principaux ou encore petits moteurs de séparation.

Les moteurs à ergols liquides :

Principe :

Dans les années 1900, Constantin Tsiolkovski émet l'idée d'utiliser pour la première fois un moteur à carburants (ou 'ergols' dans le jargon) liquides. Ces moteurs sont maintenant utilisés dans la majorité des lanceurs.

La chambre de combustion est le lieu où les ergols s'enflamment. Le but sera d'ammener une pression énorme dans cette chambre de combustion, de laquelle les gaz vont sortir à plus haute vitesse dans la tuyère, générant une poussée plus forte.

La pièce la plus intéressante de la chambre de combustion se nomme l'injecteur, et sert à pulvériser les ergols dans la chambre pour un mélange homogène. Il en existe deux types :

  • Les injecteurs centrifuges, dans lequel l'ergol s'engouffre en tournant et s'éparpille en fines gouttelettes dès sa sortie, plutôt compliqués à usiner.
  • Les injecteurs linéaires, où l'ergol est injecté directement, moins efficace que le premier mais plus facile à fabriquer.

On peut ensuite combiner ces types d'injecteur pour obtenir des combinaisons de répartitions de carburants. Par exemples, on a les injecteurs coaxiaux (coupler un injecteur centrifuge et un linéaire permet d'obtenir un excellent mélange), avec une fome de pommeau de douche, à jets croisés où les jets de plusieurs injecteurs se rencontrent et se pulvérisent (uniquement avec des injecteurs linéaires)...

Si les injecteurs sont instables, la flamme et le flux d'ergols vont être instables aussi, pouvant aller jusqu'à la perte d'un moteur !

Leur exctinction, contrairement aux moteur solides, est faisable. Il suffit de fermer les vannes qui amènent les ergols dans la chambre de combustion !

Les mélanges d'ergols liquides :

Les carburants liquides utilisés doivent être stables, simples à conserver et manipuler, et leur mélange doit délivrer (bien entendu) une énorme énergie exothermique.

Pour illustrer, voilà un GIF, pris lors d'un vol de Falcon9, qui montre l'évolution dans la réservoir d'oxygène liquide, même après la coupure des moteurs.

Aussi, il faut distinguer deux types de mélanges. Deux carburants qui s'enflamment au moindre contact sont dit Hypergoliques. Cela permet de simplifier le démarrage, les amener dans la chambre de combustion permet un allumage instantané !

Sinon, il faut ajouter un dispositif d'allumage au moteur, et sa fiabilité doit être maximisée.

Cet allumage peut être déclenché par un produit hypergolique qui s'enflamme spontanément, sa flamme enflammant les ergols. Une étincelle, une résistance, un catalyseur ou un explosif peuvent aussi servir d'allumeurs. Certains moteurs démarraient même par cartouche explosive qui faisait tourner les turbines !

Les différents cycles et allumages :

Les moteurs à ergols liquides doivent posséder différents dispositfs pour amener les ergols dans la chambre de combustion. Il faut aussi un moyen d'enflammer le mélange de carburants.

Toutes ces méthodes sont appelées des "cycles" de combustion.

Cycle "Pressurisé" :

Dans ce système, un réservoir de gaz est ajouté aux côtés du réservoir de carburant et de celui de comburant.

Ce gaz va pressuriser les réservoirs de carburants, donc les "pousser" vers le fond du réservoir, les amenant vers la chambre de combustion. Pour maintenir une combustion stable et complète, il faut que la pression dans les réservoirs soit plus forte que celle dans la chambre de combustion, ce qui mène à des réservoirs a l'épaisseur conséquente et de structure très solides mais lourdes.

Ces moteurs sont donc plutôt "simples" et ne nécessitent aucune turbopompe, complexe et parfois instable. Pour le lancer, il suffit d'ouvrir quelques valves. Si le mélange n'est pas hypergolque, un allumeur sera nécessaire. Cependant, de multiples allumages seront donc facilement réalisables, hypergoliques ou non.

Ici, un moteur à carburants hypergoliques, ne nécéssitant aucun dispositif d'allumage tierce.

Cependant, des précautions doivent être prises. L'hélium pressurisé va s'expandre et se refroidir, ce qui peut mener à un gel de composants ou de carburants. Par exemple, dans le cas du moteur du LM d'Apollo, il était préchauffé par un echangeur de chaleur autour de la chambre de combustion. Cependant, cet hélium réchauffé, comme tout gas chaud, prenait plus de place et pressurisait mieux les réservoirs.

Un moteur à cycle pressurisé très connu est le Kestrel, moteur du lanceur Falcon1 de chez SpaceX.

Ce type des moteur est certes simple, mais il est peu efficace, les réservoirs et le gas en plus sont assez lourds, réduisant les performances du lanceur. Cela reste le cycle le moins cher à développer. Il est simple à démarrer et fiable.

Le gaz utilisé, souvent de l'Hélium, est un gaz "noble". En effet, un gaz noble (dernière colonne du tableau périodique de Mendeleiev) ne réagit pas chimiquement avec le carburant, le laissant "intact" et prêt à la combustion.

Cycle générateur de gaz :

Dans ce cycle, un "générateur de gaz" est utilisé.

Ce système consiste en une petite chambre de combustion, reliée à une pompe. Cette chambre pompe une petite partie des carburants du lanceur, et le gaz créé par ce générateur est redirigé vers un turbine, reliée aux turbopompes.

Pour simplifier, le moteur brûle une partie de son carburant pour faire tourner les pompes qui amèneront le carburant dans la chambre de combustion. Ce gaz est en suite évacué par un échappement.

Son principal inconvénient est la perte d’efficacité en raison des gaz non utilisés pour la propulsion de la fusée. Les moteurs à cycles générateur de gaz ont tendance à avoir des impulsions spécifiques plus faibles que d'autres cycles.

Le cycle "générateur de gaz" est aussi appelé cycle "ouvert" car le gaz est évacué sans être utile pour la porpulsion.

Souvent, une partie des ergols (très froid pour être liquides et denses) est utilisée pour refroidir la tuyère. Même les matérieux modernes ne peuvent supporter une pression et chaleur si intense, et sans refroidissement, le moteur exploserait de façon impressionante mais surtout désastreuse.

Pour les anglophones, voilà une vidéo d'un ingénieur de SpaceX qui schématise leur moteur Merlin, utilisant ce cycle : Tom Mueller (SpaceX) Explains The Merlin Rocket Engine.

Sur la plupart de ces moteurs, un gaz continue de pressuriser le carburant, et une partie l'oxydant est réchauffé autour du générateur de gaz puis renvoyée dans son réservoir pour le pressuriser. Pourquoi me direz vous, alors que les pompes entraînent déjà le carburant ? Regardez le GIF plus haut : en apesanteur, le carburant se balade, et n'est pas disponible à l'entrée de la turbopompe. Ainsi, la pressurisation permet de les repousser vers les pompes. Pour rappel, si les turbopompes aspirent du gaz et pas un liquide, le moteur en souffrirait...

L'ensemble Turbine/Pompes est en un seul bloc et arbre, et se nomme TurboPompe. Ce système permet d'amener le carburant à une pression plus de 30 fois plus forte, entre le réservoir et l'injecteur !

Dans le cas du moteur Merlin, le Générateur de Gaz brûle à 760°C, et s'allume, comme la chambre de combustion, avec un mélange hypergolique (le TEA-TEB). Faisant tourner les turbopompes, il permet d'amener les carburants (Kérosène "RP-1" et Oxygène Liquide "LOX") dans la chambre de combustion, qui montera à 3300°C !

La poussée de ce moteur est de 935kN, son ISP est de 340secondes.

Cycle fermé :

Les moteurs à cycles fermés fonctionnent comme les moteurs à générateur de gaz ouverts, la seule différence est que les gaz d'échappements (bien visibles sur la photo ci dessus, l'échappement sombre à droite) sont redirigés DANS la chambre de combustion. Ainsi, ils ne sont pas perdus pour la propulsion.

Le plus grand avantage de ce cyle est que l'on gagne en ISP, son plus grand désavantage est sa complexité de développement.

Comme le générateur de gaz utilise cette fois un mélange enrichi en carburant et pas en oxydant, le gaz qui revient dans la chambre de combustion est très facilement inflammable.

Ce cyle "fermé" ne perd donc aucun gaz et les réutilise. Cependant, ces gaz sont très complexes à manipuler, et mettent à rude épreuve les turbines et les pompes.

La pression du générateur de gaz et celle de la turbine doivent être plus grandes que celle de la chambre de combustion, afin d'éviter un engouffrement de la flamme là où elle ne devrait pas être, causant, évidemment, une explosion.

Ce cycle est plus cher, plus complexe mais, comme pour le cycle ouvert, il permet de réduire le poids d'un moteur, augmentant les performances.

Cycle de dérivation de la combustion :

Ce cycle ressemble fortement à un cycle générateur de gaz, c'est aussi un cycle ouvert, cependant la turbine n'est pas mise en route par une mini chambre de combustion, mais par les gaz provenant directement de la chambre de combustion du moteur. ils sont ensuite redirigés vers un échappement.

Le nouveau lanceur New Shepard de Blue Origin utilise le moteur BE-3, qui utilise ce cyle de dérivation. Selon eux, ce moteur est très pratique dans le cas du vol spatial habité, car avec une seule chambre de combustion et moins de plomberie complexe, le moteur se voit moins tiraillé. Cependant, son allumage reste complexe, car les gaz qui devraient faire tourner les pompes doivent être pris depuis la chambre de combustoin, où le carburant arrive via les pompes... La turbine recoit aussi une dose de chaleur plus importante.

Il est donc simple et efficace, mais complexe à démarrer et développer.

Cycle à extension :

Ce cycle, plus connu en tant que Expander Cycle, utilise la chaleur de la tuyère pour réchauffer le carburant, ce carburant passé de liquide à gaz via la chaleur absorbée va faire tourner la turbine puis sera réinjecté dans la chambre de combustion.

En augmentant le volume de la tuyère, son aire augmente avec un facteur 2. Le volume de carburant passant dans la tuyauterie, cependant, va augmenter au cube, de facteur 3. Ainsi, il existe un point où le carburant ne peut plus à la fois absorber la chaleur et faire tourner les pompes, bloquant ces moteurs à environ 300kN. Rappel, un Merlin développe 935kN !

Certains de ces moteurs utilisent des générateurs de gaz pour leur démarrage, faisant tourner la turbine, jusqu'à ce que le carburant passant par la tuyère puisse entretenir le fonctionnement du moteur.

Une de ses variantes se nomme Expander Bleed Cycle, qui va rejeter une partie des gaz dans un échappement. En sacrifiant un peu de ces gaz, on peut maintenir le régime des pompes plus haut (car on réduit les pressions contraires et crée une dépression), permettant d'obtenir une poussée plus forte.

Le moteur Vinci de la Ariane6 en développement sera un moteur utilisant ce cycle.

Cycle de combustion étagée :

Ce cycle s'apparente à un cycle fermé, cependant TOUT le carburant sert à faire tourner la turbine dans un générateur de gaz, et ce n'est que le gaz d'échappement du générateur qui va s'enflammer avec l'oxydant dans la vraie chambre de combustion.

Ce schéma ressemble certes à celui du cycle fermé, mais si vous regardez bien, le carburant (en rouge) passe uniquement par le générateur de gaz. Légende :

  • 1 : pompe carburant,
  • 2 : turbine,
  • 3 : pompe comburant,
  • 4 : générateur de gaz,
  • 5 : vannes,
  • 6 : chambre de combustion,
  • 7 : échangeur thermique,
  • 8 : tuyère.

Même si il est très efficace, il à tendance à faire souffrir la turbine.

Une dizaines de moteurs utilisent ce cycle, en comptant le fameux SSME, le moteur iconique de la Navette Spatiale !

Regardez sur cette vidéo son allumage, au ralenti, assez impressionant !

SSME Slow Motion Ignition

Leur démarrage est simple : le carburant est amené par pression dans le "pre burner", allumé par une bougie (telle une bougie de voiture!),ce qui fait tourner les turbopompes puis amène les carburants dans la chambre de combustion, qui sont allumés. Une fois le moteur démarré, sa poussée est de 2MN, et son ISP est de 363sec. Les gaz sont éjectés à 4km.s^-1 ! Il peut faire varier sa puissance de 67% à 109%.

Tout comme le moteur Merlin de SpaceX, et comme on l'a vu dans l'article sur le guidage des lanceurs, ils peuvent pivoter sur leur cardan, pour faire pivoter le lanceur.

Cycle de combustion étagée à plein débit :

Ce cycle utilise la base du cycle précédent, mais il utilise aussi un générateur de gaz prenant tout l'oxydant. Avec DEUX petites chambres de combustion, chacune pompant le fluide qu'elle brule en majorité (une riche en carburant, une riche en oxydant).

On a donc deux turbopompes, deux générateurs de gaz, et la chambre de combustion récupère les gaz des deux pompes. L'ingénierie est bien entendue plus complexe... Cependant, grâce à ce système, les turbines sont plus froides et moins sous pression, améliorant la fiabilité.

Le moteur Raptor de SpaceX, déstiné à la future BFR, est atuellement en test, utilisant ce cycle.

Moteur à pompes électriques :

Ce système utilise une pompe électrique, qui amène les ergols dans la chambre de combustion principale.

Alimentées par un moteur électrique et une batteire, les pompes électriques d'un tel moteur pressurisent les ergols d'un réservoir à basse pression vers la chambre de combustion à haute pression.

Le moteur Rutherford de la fusée Electron, de RocketLab est le seul moteur-fusée en service utilisant ce cycle. On en parle ici : Space 'n' Science - RocketLab Electron !

A cause de la masse des batteries à emporter, les moteurs alimentés par pompes électriques ont des performances moins bonnes que les ceux alimentés par turbopompes, mais leur simplicité mécanique et l'absence de turbomachine peut leur permettre d'avoir des coûts de développement et de fabrication inférieurs. En revanche, ils pourraient atteindre de meilleures performances que les moteurs alimentés par pressurisation des réservoirs et les moteurs à propergol solide, au fur et à mesure des évolutions de la technologie.

Refroidissement de la tuyère :

Comme on l'a vu dans tous les cycles précédents, la tuyère chauffe fortement et doit-être refroidie. On peut passer par plusieurs méthodes, soit le passage de carburants autour de la tuyère, ou encore utiliser une tuyère ablative. Derrière ce mot se cache en fait un matériau recouvrant l'intérieur de la tuyère, qui se désagrège lors de la combustion. La tuyère brûle, en fait, pendant le vol !

On peut aussi construire une tuyère qui évaporera la chaleur radiativement, ou encore injecter un fluide frais dans le pourtour de la tuyère, ce qui amènera un film de fraîcheur entre les flammes et le métal.

Carburants :

Le mélange qui est brûlé dans la chambre de combustion est composé de deux éléments : un carburant & un comburant. Beaucoup de combinaisons ont été testées au début de l'ère spatiale mais très peu de combinaisons sont actuellement utilisées. En voilà une liste NON-EXHAUSTIVE : (LOX signifie Liquid Oxygen, Oxygène Liquide)

  • LOX-kérosène : un bon compromis pour obtenir à la fois une impulsion spécifique et une poussée forte. Il est souvent retenu pour propulser le premier étage des lanceurs.
    • LOX-LH2 : fournit la meilleure impulsion spécifique mais impose des réservoirs très volumineux du fait de la faible densité de l'hydrogène. Optimal pour propulser l'étage supérieur des lanceurs. L'hydrogène s'infiltrant très facilement partout, les tuyaux se voient étanches au delà du raisonnable. D'ailleurs, H2 + O = H2O, ce mélange recrache de l'eau !
    • LOX-méthane : proche mais d'un moins bon rendement que LOX-kérosène, il "encrasse" moins les moteurs. Aucun moteur n'a atteint en 2016 la phase opérationnelle.
    • Peroxyde d'hydrogène
    • Oxygène-Hydrazine
    • Peroxyde d'azote-kérosène
    • Acide nitrique-kérosène
    • Peroxyde d'azote-Hydrazine
    • Peroxyde d'azote-1,1-diméthylhydrazine
    • C-Stoff-T-Stoff

Modulation de la poussée :

Un des principaux avantages des moteurs à ergols liquides par rapport aux moteurs à propergol solide est la capacité de ces moteurs à faire varier leur poussée. On peut ainsi modifier l'accéleration que subissent lanceur et charge utile ! Elle est également nécessaire lorsqu'on utilise des moteurs-fusées pour faire atterrir un engin sur une planète, que ce soit pour Curiosty sur Mars ou les boosters de Falcon !

La modulation de la poussée est obtenue en jouant sur le débit d'ergols injectés dans la chambre de combustion. Cependant, pour que la poussée soit modulable il est nécessaire qu'aux différents régimes d'alimentation la combustion soit stable ce qui rend plus difficile le développement du moteur. En effet, une poussée à 86% pourrait par exemple offrir une combustion peu stable, rendant cette puissance inutilisable.

Rôle des moteurs dans l'orientation du lanceur :

Pour pouvoir corriger l'orientation du lanceur, la poussée doit pouvoir être orientée. La poussée d'un moteur-fusée à ergols liquides peut être relativement facilement orientée : des vérins sont utilisés pour basculer le moteur avec sa tuyère de quelques degrés. Avec un seul moteur les mouvements de tangage et de lacet peuvent être obtenus mais le roulis doit être pris en charge par des moteurs dédiés.

L'orientation de la poussée peut être également obtenue en combinant de manière variable l'action de plusieurs moteurs spécialisés baptisés moteur-vernier.

On à vu comment s'orienter dans l'article dédié : le guidage des lanceurs.

Les moteurs nucléaires :

Sortons des moteurs liquides (enfin ?) et intéressons à des moteurs plus... originaux maintenant!

Attention, je ne parle ici pas des RTG, ces dispoditifs nucléaires qui servent à alimenter en électricité Curiosity et Voyager 1 et 2 par exemple. Non, ces mini centrales nucléaires ne servent pas à la propulsion !

Principe :

Ici, je m'intéresse aux moteurs nucléaires à proprement parler. La propulsion nucléaire thermique ou nucléo-thermique est un mode de propulsion qui utilise un réacteur nucléaire pour chauffer un fluide.

Ils sera ensuite éjecté par la tuyère. Théoriquement, on atteindrait de meilleures vitesses d'éjection avec ce système, qu'avec les moteurs classiques !

En pratique :

Un seul test au sol à étét envisagé, le moteur NERVA.

La propulsion nucléaire est peu soutenue dans le monde en raison des risques liés au lancement d'engins nucléaires et du prix.

Les moteurs ioniques :

Comment passer à côté des moteurs ioniques dans un article sur les moteurs ? Certes, ils ne sont pas utilisés sur les lanceurs mais sur les sondes.

Principe :

Dans un moteur ionique, le carburant n’est pas brûlé mais ionisé. Les ions (des atomes électriquement chargés) passent par deux grilles électrisées et subissent ainsi une accélération. La force d’accélération des ions cause une force de réaction de sens opposé : c’est la force de propulsion du moteur à ions.

Pour maintenir la neutralité électrique de la sonde et du carburant, les ions reprennent leur électrons à la sortie du moteur. Car oui, pas de gaz, pas de tuyère !

C’est le xénon (un gaz noble, comme l'hélium vu plus haut) qui est utilisé comme « carburant ».

L’énergie électrique nécessaire pour l’ionisation du carburant et l’accélération des ions libérés est obtenue grâce à des panneaux solaires.

Avec les moteurs vu précedemment, il faut embarquer la masse à éjecter, et l’énergie pour l’éjecter. Alors qu’avec les moteurs ioniques, seule la masse à éjecter est embarquée.

Les moteurs ioniques produisent une force de propulsion faible mais sur une très longue durée, et sont particulièrement économes. Ils produisent, par kilogramme de carburant embarqué, une quantité de travail très supérieure à celle des moteurs habituels. Ils peuvent donc, après un temps, certes, non négligeable, conférer la même vitesse au véhicule spatial, au prix d'une consommation de carburant bien moindre. Ce véhicule peut alors emporter moins de carburant. Les moteurs ioniques sont également beaucoup plus légers (une dizaine de kg), permettant ainsi une économie supplémentaire de carburant.

C'est le contraire d'un moteur "brutal" liquide, qui va supporter deux minutes de tensions et pressions, alors que ce type de moteur va pouvoir s'allumer sur des semaines entières !

C'est donc une poussée presque nulle mais une ISP gigantesque !

En pratique :

De nombreuses sondes ont pu s'en servir : GOCE, SMART, DAWN... et même certains satellites de télécommunications !

Ces satellites, lourds, vus dans l'article sur les différentes orbites sont situés à 35786km de la Terre, et doivent se pointer et corriger leur orbites très finement. De tels petits moteurs leurs sont plus bénéfiques que des moteurs à gaz froid.

D'autres types de moteurs :

Je vais faire une rapide détour sur des méthodes de propulsions... non conventionelles, et polémiques scientifiquement.

La propulsion nucléaire PULSEE :

Le principe :

La propulsion nucléaire pulsée est une méthode de propulsion spatiale qui utilise des explosions nucléaires pour produire une poussée. Vous ne rêvez pas, le principe est bien de larguer une série de bombes atomiques pour surfer sur la vague !

Elle fut inspirée par Stanislaw Ulam en 1947 et fit l'objet d'études dans le cadre du projet Orion dans les années 1950-1960.

L'exemple Orion :

Orion est la première tentative de conception d'un lanceur à impulsions nucléaires de 1950 à 1963. Le lanceur larguait de petites charges nucléaires directionnelles derrière elle et récupérait la poussée du souffle de l'explosion sur une grande plaque métallique montée sur un système amortisseur.

Les premières déclinaisons de ce principe promettaient des vaisseaux de taille énorme capables de décollage depuis la surface terrestre et de voyages interplanétaires rapides avec un étage unique.

L'EM-Drive :

Le principe :

L'EmDrive (ElectroMagnetic Drive), ou "propulseur à cavité résonante électromagnétique asymétrique", est un système de propulsion électrique qui produirait une poussée sans carburant, et qui ainsi se déplacerait sans diminuer de masse. Sa quantité de mouvement ne se conserverait donc pas, ce qui brise les lois de bases de la physique.

L'Emdrive a été proposé en 2001 par Roger Shawyer. Compte tenu des perspectives qu'ouvrirait un tel système dans le domaine du voyage spatial, l'EmDrive a suscité l'intérêt notamment de la NASA. À partir des années 2010, l'EmDrive a reçu un écho médiatique important.

Néanmoins, la réalité de ce phénomène reste sujette à une controverse sur son impossibilité théorique en mécanique newtonienne et aux possibles erreurs de mesure.

"L'appareil utilise un magnétron produisant des micro-ondes canalisées à l'intérieur d'une cavité résonante métallique à facteur de qualité élevé, en forme de cône tronqué offrant deux surfaces réflectives de superficies différentes, et muni d'un diélectrique résonant près du plus petit réflecteur. L'appareil génère une force en direction de la plus grande surface de la cavité."

Bien qu'une source de courant électrique soit requise à son fonctionnement, l'appareil ne dispose d'aucune pièce mobile et n'éjecte pas de masse ni n'émet de radiation en dehors de sa cavité hyperfréquence.

Dans les faits :

Ce dispoditif bien qu'intéressant est à la fois possible et impossible, si on s'affranchit de la loi de la conservation de l'énergie, on peut certes trouver les calculs corrects, mais une loi est censée êtreê respectée.

Les expériences ont montré une force, en effet, mais elle est possiblement venue d'erreurs de mesures.

Les anglophones en apprendront bien plus grâce aux mots de Scott Manley:

What is the EM Drive? And Does it Really Work?

The Results of The Best EM Drive Test Yet

Conclusion :

Comme nous l'avons vu, tous ces moteurs agissent dans le seul et unique but de fournir une force dans un sens et pousser l'engin par action/réaction.

Ils sont tous variés, plus ou moins chers, efficaces, pratiques, et simples, mais ils fournissent une poussée et une ISP unique.

En combinant poussée intense, ISP plus grande, moteurs ioniques et gaz froid, on à une combinaison qui peut nous emmener au fond du système solaire !

Merci de votre lecture,

Niels

PS : pour ceux qui aimerient en apprendre un peu plus sur les flammes des lanceurs et quelques données sur leur allumage, je ne peux QUE conseiller les excellentes vidéos de Techniques Spatiales !

Comprendre les flammes des fusées (1/2)

Comprendre les flammes des fusées (2/2)

Vous aurez environ 1 heure de science spatiale, très bien expliquée, imagée, et vulgarisée !

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