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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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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 :
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contrôler l’orientation d’un satellite lui permettant de pointer ses instruments avec précision ;
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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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2. Fonctionnel
2.1 Fonctionnel pompe
Le design fonctionnel de la pompe consiste en trouver la bonne combinaison de géométrie et paramètres de fonctionnement permettant de délivrer une performance attendue, souvent spécifiée en termes de débit, surpression et rendement. Ce dernier exprime l’efficacité de conversion de puissance mécanique en puissance hydraulique exploitable et dépend de l’architecture pompe et de son point de fonctionnement :
Son optimisation impacte directement le bilan de puissance/couple mécanique à fournir par la turbine/moteur, un bon design de pompe correspond à des rendements de l’ordre de 0,6-0,85.
Les composants principaux qui interviennent dans le dimensionnement fonctionnel côté pompe sont synthétisés dans le tableau 9.
Avant de rentrer dans la description de chaque composant, il est opportun de rappeler un certain nombre de paramètres dits « réduits » que l’ingénieur utilise aussi bien en phase de dimensionnement que pour la spécification des cartes opérationnelles de la machine. À titre d’exemple, des paramètres comme la vitesse ou le diamètre spécifique contiennent plusieurs informations concernant le type de machine et sa performance, tels que débit, surpression, densité du fluide, en plus des vitesses et diamètres physiques de la pompe (tableau 10) .
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Fonctionnel
BIBLIOGRAPHIE
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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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QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
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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