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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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Circuits secondaires
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3. Mécanique
Les performances extrêmes demandées aux turbopompes spatiales génèrent des cahiers des charges mécaniques hors norme, aussi bien pour l’ampleur des chargements que pour leur spécificité. La maîtrise de la robustesse mécanique devient en conséquence aussi importante que la capacité à délivrer les performances souhaitées : en absence de redondance, la défaillance mécanique d’une partie de la turbopompe se traduit, dans la presque totalité des cas, en perte de la mission.
Il est donc important de bien connaître les causes potentielles de défaillance dès le début du design mécanique, et de prendre toutes les mesures nécessaires pour améliorer la robustesse vis-à-vis de chaque mode de défaillance.
Cet exercice reste spécifique à chaque architecture, chaque machine, chaque domaine de fonctionnement. Cependant, il est possible d’identifier des traits communs qui peuvent être le point de départ des réflexions en design mécanique :
-
les effets liés aux hautes vitesses de rotation qui introduisent des états de contraintes et des évolutions géométriques sur les pièces tournantes :
-
e.g. la centrifugation peut être le chargement principal d’une pièce,
-
e.g. toutes interfaces et ajustements au montage (jeux/interférences) évoluent avec la mise en rotation,
-
e.g. l’effet gyroscopique fait évoluer les fréquences propres de vibration des pièces tournantes.
-
-
les vibrations générées dans une turbopompe peuvent endommager la machine et/ou les systèmes environnants :
-
e.g. une fluctuation de 1 % sur une puissance générée de 10 MW est une fluctuation à 100 kW !,
-
e.g. vibrations venant d’un rotor non parfaitement équilibré ; de l’impact périodique du fluide sur les aubes ; des modes acoustiques dans les cavités fluides ;
-
-
les températures extrêmement chaudes et froides qui font évoluer la géométrie des pièces et leurs caractéristiques thermomécaniques. L’ambiance thermique représente souvent la source principale de chargement pour les pièces qui ne sont pas libres d’accompagner les déformations thermiques imposées :
-
e.g. la résistance mécanique des matériaux subit des fortes variations avec la température,
-
e.g. les assemblages...
-
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Mécanique
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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