Bibliographie & annexes
Quiz & test
Présentation
En anglais
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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Conclusion
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5. Fabrication
Le tableau 25 recense des généralités sur les procédés de fabrication communément employés pour la production de composants de turbopompe. La fabrication étant une branche riche et complexe de l’ingénierie industrielle, le lecteur est invité à approfondir les détails de chaque procédé à l'aide des nombreuses références bibliographiques.
Une des spécificités du spatial est sûrement la demande en précision et en qualité.
Tous les éléments décrits dans l’article montrent comment les spécifications très exigeantes en performance et en robustesse mécanique ne peuvent être respectées qu’avec des tolérances géométriques et dimensionnelles très serrées.
Fabrication et contrôle qualité doivent donc être calibrés pour pouvoir fournir les exigences demandées et limiter les dispersions sur les séries des produits.
-
Le procédé de fabrication doit être adapté à la géométrie des pièces, ainsi qu’aux contraintes projet (disponibilité, coût) du produit final.
-
Le procédé de fabrication impacte fortement les caractéristiques mécaniques des matériaux.
-
La fabrication additive permet de construire des composants à haut niveau d’intégration et de complexité avec un bon compromis sur la disponibilité et les caractéristiques mécaniques. Cela se fait au détriment de l’état de surface qui nécessite souvent un minimum de reprise.
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Fabrication
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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Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
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Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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