Technologies moteurs-fusées à liquides

Technologie des turbopompes

Chacune possède un arbre portant la turbine d’entraînement et le ou les compresseurs, souvent du type centrifuge. Selon les cas, l’arbre porte les compresseurs des deux ergols, ou ceux-ci disposent chacun de leur propre pompe. Certaines peuvent être munies d’un réducteur à engrenage. Les vitesses de rotation sont très élevées, de 10 000 à 70 000 tours par minute. Pour les pompes à ergols cryotechniques on fait appel à des roulements en céramique et matériaux composites. Il faut savoir en effet qu’en cas d’échauffement excessif, la plupart des métaux brûlent dans l’oxygène. L’étanchéité impose un savoir-faire jalousement gardé par les firmes productrices. Les puissances absorbées par les turbopompes sont considérables : 2500 kW pour les turbopompes d’Ariane IV, 3700 kW et 7500 kW pour celles d’Ariane V. Le démarrage du moteur nécessite un entraînement préalable des turbopompes par un démarreur à poudre.

Coupe turbopompe moteur Vulcain (Photo g.Thésée)

Technologie chambres de combustion :

C’est le cœur du moteur-fusée à liquide. Elle génère des gaz à très haute température (3000°C) sous des pressions de 50 à 300 bar !
La chambre est refroidie soit par couche de gaz « froids » le long de la paroi interne (film cooling) pour les fonctionnements courts, soit par circulation d’ergol en double paroi, pour les moteurs cryotechniques ou à longue durée de fonctionnement.
La chambre de combustion est souvent montée sur cardan pour permettre le pilotage du lanceur par orientation de l’ensemble chambre-tuyère.
Le col fait souvent partie intégrante de la chambre. C’est lors du passage du col que la vitesse des gaz devient supersonique. Il est le siège d’une intense érosion d’où l’emploi de matériaux de type céramique ou abradable.

Technologie injecteurs :

Coupe injecteur moreur Viking (Photo G.Thésée)

Les propergols sont introduits dans la chambre au travers d’injecteurs dont le rôle est de pulvériser et de brasser très finement le mélange. La qualité de la combustion et sa stabilité dépendent de la géométrie et de la précision des très nombreux trous dont ils sont percés.

Technologie allumeur :
Sans problème dans le cas des ergols hypergoliques, l’allumage reste un point délicat dans les autres cas. Un retard d’inflammation d’une fraction de seconde peut engendrer des surpressions destructrices.
Les allumeurs sont du type électrique ou pyrotechnique.
Lors d’un lancement il est fréquent de procéder au contrôle du fonctionnement des moteurs à propergols liquide avant de libérer la fusée de son verrouillage sur la plate-forme de lancement.

Technologie tuyère :
Sa forme divergente sert à accélérer les gaz par détente supersonique pour générer la poussée.
Son rendement est maximal quand la pression des gaz éjectés est égale à la pression ambiante. Plus celle-ci est faible (haute altitude), plus la tuyère doit être longue.
Sa taille est donc un compromis entre les contraintes d’encombrement, de traînée aérodynamique ou de masse, et les nécessités de la propulsion.
Les tuyères des étages supérieurs sont donc en général plus longues que celles des premiers étages.
En emploie parfois des systèmes de divergent déployables par panneaux ou par segments tronconiques.

Les matériaux employés peuvent être :
Métaux réfractaires
Tubes soudés refroidis intérieurement
Composites à base de carbone, silice ou céramique