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RÉSUMÉ
La turbomachine pour moteur-fusée est sans doute parmi les équipements les plus complexes d’un véhicule spatial, un concentré de technologie et de maitrise industrielle qui est souvent étiqueté comme savoir-faire stratégique. Le milieu cryogénique, pratique obligée pour des systèmes à haute performance, rajoute des complexités spécifiques à l’application spatiale, qui jouent un rôle important dans toutes les phases du produit, de la conception à la qualification. Des lignes guides de dimensionnement et d’intégration de turbopompes spatiales sont fournies en passant par les notions élémentaires de dimensionnement fonctionnel pompe, turbine et circuits secondaires, ainsi que par la mécanique, l’analyse vibratoire et la sustentation d’arbre.
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Rocket engine turbomachineries represent one of the most complex equipments of a space vehicle, a concentrate of technology and industrial expertise often considered as strategic know-how. The use of cryogenic fluids for high performance propulsion systems, brings additional complexities that are specific to space application, playing an important role in all phases of a product life, from design to qualification. Guidelines for turbopumps design and integration are presented, covering the elementary concepts of pump, turbine and secondary circuits design, as well as mechanics, shaft sustentation and vibration analysis.
Auteur(s)
-
Giuseppe FIORE : Chef du service Équipements Propulsifs et Mécanismes - CNES, Paris, France
INTRODUCTION
Le moteur-fusée représente une des merveilles technologiques permettant à l’humanité d’explorer au-delà des limites imposées par la gravité planétaire. Son rôle est de générer de la poussée de façon intense, efficace et contrôlée.
Cette poussée propulse les véhicules spatiaux leur permettant de vaincre la gravité, de s’injecter en orbite et de maintenir une trajectoire stable et compatible avec les objectifs de mission. Sous le terme « propulseur » sont souvent confondus équipements avec fonctions diverses et variées mais avec le même principe de fonctionnement : l’éjection à haute vitesse d’un fluide embarqué produit une accélération du véhicule cohérente avec la conservation de la quantité de mouvement totale du système.
Ces propulseurs peuvent être utilisés pour :
-
contrôler l’orientation d’un satellite lui permettant de pointer ses instruments avec précision ;
-
finaliser sa mise en orbite ou en corriger son éventuelle dérive ;
-
fournir au lanceur l’énorme poussée dont il a besoin pour le décollage (masse Ariane 5 ∼ 800 t) et pour son voyage à des milliers de kilomètres loin de la surface terrestre.
Dans cet article on se concentre sur cette dernière option, caractérisée par des niveaux de puissance difficilement atteignables sans l’aide d’équipements auxiliaires, qui constituent l’ensemble de ce que l’on appelle « moteur-fusée ».
Dans la pratique aérospatiale tout équipement est soumis à des contraintes de masse. C’est ici que la notion de compacité rentre en jeu : le rapport entre poussée et masse d’un moteur-fusée (Thrust-to-Weight Ratio) est un indicateur efficace de la qualité du design d’un moteur. La turbopompe de moteur-fusée joue un rôle essentiel au regard de ces considérations.
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KEYWORDS
turbine | turbopumps | cryogenic fluid | power pack
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6. Conclusion
La machine tournante est un produit complexe s’appuyant sur de nombreuses physiques pour délivrer de la puissance au moindre coût pour le bilan de masse.
Conception, réalisation et opération reposent sur l’expérience et le savoir-faire technique et de management de projets portés par les agences et leur tissu industriel, qui permettent de maîtriser ces physiques dans un produit qui assure performance, répétabilité et fiabilité sous ambiances et contraintes typiques du spatial.
Les conditions spécifiques à la turbopompe cryogénique jouent un rôle important sur le dessin de la machine, nécessitant compétences, infrastructures et méthodologies de mise en œuvre spécifiques, afin de concevoir, tester et opérer le produit.
Les outils venant du monde de la turbomachine représentent un excellent point de départ pour le design et l'analyse, mais doivent souvent être adaptés et validés. Le test reste seul juge de paix permettant de valider ces outils système et sous-systèmes pour le développement continu du moteur et pour sa qualification.
L’étude des phénomènes complexes doit avancer en parallèle des thématiques de production : le traitement d’anomalie nécessite une maîtrise fine et mature de phénomènes complexes (IFS, mécanique non linéaire, etc.). L’entretien des équipes techniques et la sensibilisation des équipes projet aux phénomènes complexes inhérents aux moteurs-fusées est donc d’importance fondamentale et doit être supporté par des activités de type R&D tout en gardant des liens forts avec les laboratoires de recherche compétents.
La robustesse mécanique vis-à-vis de tous les modes de défaillance associés aux ambiances extrêmes doit être assurée par une boucle de design exhaustive combinée avec le choix et le contrôle des matériaux et des procédés de fabrication. Cet exercice doit être mené tout en respectant les impératifs de réduction de masse, ce qui restreint souvent la fenêtre de tir des concepteurs les obligeants à travailler à la frontière des marges admissibles des matériaux.
Les circuits internes, dits secondaires, sont vitaux pour le bon fonctionnement de la machine et mettent en évidence le lien étroit entre mécanique et intégration fonctionnelle : les fonctions principales ou secondaires ne sont jamais complètement indépendantes, au contraire elles sont intimement liées aux besoins de conditionnement...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GALEOTTA (M.), PRIOTTO (S.), FIORE (G.), THERON (M.), VIEILLE (B.), DREYER (S.) - BOREAS Liquid Propulsion Rocket Engine Platform : recent advancement in modelling and testing activities. - 73rd International Astronautical Congress (IAC), Paris, France (2022).
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(2) - CAISSO (P.), BARTON (J.), ILLIG (M.), MARGAT (T.) - Development status of the Vulcain 2 engine. - 36th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Las Vegas, NV, U.S.A. ; https://doi.org/10.2514/6.2000-3781 (2000).
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(3) - HULKA (J.), FORDE (J.S.), WERLING (R.E.), ANISIMOV (V.S.), KOZLOV (V.A.), KOSITSIN (I.P.) - Modification and verification testing of a Russian NK-33 rocket engine for reusable and restartable applications. - AIAA 98-3361.
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(4) - HAIDN (O.) - Advanced Rocket Engines. - RTO Organization.
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(5) - BALLARD (R.) - Liquid Propulsion Systems – Evolution and Advancements. - AIAA.
-
...
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