La propulsion par moteurs fusées à liquides - 08/05/2007

L'astronautique actuelle repose en grande partie sur les performances des moteurs fusées grâce auxquels ont peut communiquer aux charges utiles les vitesses formidables nécessaires à leur satellisation.

C'est ainsi qu'ARIANE, dont la mission nominale est la mise en "orbite de transfert géostationnaire" doit amener une ou plusieurs charges utiles au périgée, à quelques centaines de km d'altitude, en leur communiquant une vitesse d'environ 10 km/s.

Après séparation, les charges utiles livrées à elles-mêmes décrivent sans cesse l'orbite de transfert entre le périgée et l'apogée à 36 000 km, jusqu'à ce que leur moteur soit allumé à l'apogée et leur communique le gain de vitesse qui les fait passer sur l'orbite définitive équatoriale et circulaire d'altitude 36 000 km : le satellite est alors fixe par rapport à la terre.

Mais, le satellite doit encore être équipé de petits moteurs complémentaires destinés à parfaire cette trajectoire, à la corriger des effets de l'attraction solaire ou lunaire ou encore à contrôler son orientation vers la terre.

© A. Souchier

Le domaine de la propulsion par moteurs fusées est donc très étendu puisque les poussées des moteurs sont :

• comprises entre quelques dizaines et quelques milliers de kilo-newton 10 kilo-newton (kN) correspondent environ à une force d'1 tonne pour des durées de fonctionnement de l'ordre de 1 à 10 minutes dans le cas des lanceurs

• de quelques dizaines de kilo-newton seulement pour les étages de périgée ou d'apogée

• encore plus faibles, quelques newton ou dizaines de newton, pour l'équipement proprement dit des satellites, mais dans ce cas avec des durées de vie pouvant atteindre 10 ans et des sollicitations aussi nombreuses que 100 000 manœuvres.

En Europe, ce domaine est entièrement couvert par Snecma Moteurs qui exerce sa maîtrise d'œuvre dans les domaines tant civils que militaires et dispose de plusieurs techniques adaptées aux satellites.

• Poudre ou liquides ?

La fonction essentielle d'un étage est de créer la force propulsive grâce à l'éjection à grande vitesse de la masse qu'il contient initialement sous forme d'"ergols". Elle est aussi d'orienter la direction de cette force pour permettre le pilotage du lanceur.

Les moteurs à propergols solides simples, très fiables et moins coûteux à développer sont utilisés souvent comme appoint au décollage ou encore comme moteurs d'apogée.

Cliquez pour agrandir

• Architecture d'un ensemble propulsif

Un Ensemble Propulsif comprend essentiellement :

- deux réservoirs d'ergols liquides : un oxydant et un réducteur ;

- un ou plusieurs moteurs constitués par :

a)une chambre de combustion dans laquelle les ergols injectés sous forte pression réagissent pour donner des gaz à haute température ;

b) une tuyère de détente, grâce à laquelle ces gaz de combustion acquièrent la vitesse d'éjection très élevée nécessaire à l'effet propulsif ;

c) un système d'alimentation de la chambre de combustion par les ergols venant des réservoirs : il comporte un jeu de pompes entraînées par une ou plusieurs turbines, elles-mêmes animées par des gaz issus de la réaction d'une partie des ergols.

La poussée des moteurs est transmise aux parois des réservoirs puis aux étages supérieurs par l'intermédiaire d'une structure appelée "bâti-moteur".

- un système de pressurisation des réservoirs destiné à assurer la stabilité structurale de ces enveloppes très minces lorsqu'elles sont soumises à la poussée des moteurs ; il permet aussi d'alimenter les pompes à des pressions suffisantes pour éviter l'apparition d'effets de cavitation ;

- des servo-vérins qui, en agissant sur l'orientation du ou des moteurs, contrôlent la direction du vecteur poussée.

A tout ceci, il faut ajouter : éléments de commande et de régulation, circuits d'avitaillement, matériels de mesure, etc … et, bien entendu, le fonctionnement de l'ensemble doit être optimisé au niveau du système complet.

L'usage a conduit à définir une caractéristique essentielle de l'efficacité d'un moteur et des ergols associés : l'impulsion spécifique (Isp) s'exprime comme le rapport de la force propulsive au débit poids de propergols consommés Isp = F/qgo, go étant, par convention, la pesanteur au sol. Cette grandeur, qui s'exprime en secondes, indique le temps pendant lequel un propulseur exercerait une poussée d'un "kg force" (9,81 Newton) en consommant un kilo d'ergols. Plus l'Isp est grande, meilleure est l'utilisation des combustibles.

Pour étudier la performance d'un étage, on peut se placer dans le cas simple d'un étage volant horizontalement hors de l'atmosphère ; on montre alors aisément que l'incrément de vitesse qu'il produit est :

La masse finale représente la charge utile, l'étage propulsif et les ergols résiduels non utilisés ; en y ajoutant les ergols brûlés, on retrouve la masse initiale. On voit donc que, pour une quantité de fluides propulsifs fixée, la performance, c'est-à-dire le DV, sera d'autant meilleure que la masse finale sera minimisée et l'Isp élevée.

• Gagner du poids

Sur ce premier point on s'efforce avant tout de réduire à presque zéro la masse d'ergols imbrûlés en épuisant simultanément les réservoirs : on y parvient, soit en réglant a priori et très scrupuleusement les débits de liquide, soit par un contrôle actif basé sur la mesure des niveaux, laquelle n'est pas si simple …

Puis il faut travailler l'indice de structure qui est le rapport entre la "masse sèche" de l'étage et celle des ergols qu'il transporte. Ce rapport est globalement voisin de 10 % et ceci est obtenu d'abord par des méthodes de dimensionnement rigoureuses autorisant l'application de coefficients de sécurité très faibles.

Au-delà, les gains proviennent de divers procédés de conception ; le plus simple est, évidemment de réduire le plus possible la pression dans les réservoirs, de façon à en amincir les parois ; cela conduit, en retour, à soigner l'étude des caractéristiques d'aspiration des pompes afin qu'elles ne cavitent pas.

Une image simulation martienne en Utah. © RTT

On diminue encore le poids en constituant un réservoir unique divisé en deux compartiments séparés par un fond commun ; on gagne ainsi un fond et une structure inter-réservoirs : mais il faut particulièrement bien contrôler les pressions dans chacun des volumes pendant tout le vol car un retournement du fond commun serait catastrophique.

Sur le 3e étage, on a besoin d'hélium, que l'on stocke dans les bouteilles sous pression : en refroidissant ce gaz à très basse température, on augmente la masse utile embarquée, sans alourdir les bouteilles ; mieux encore, les caractéristiques en rupture de l'alliage de titane dont elles sont faites s'améliorent aux basses températures. Enfin, en augmentant la pression de fonctionnement des moteurs, on rend ceux-ci plus compacts, ce qui aboutit à des gains de masse en cascade.

• Chaque seconde compte !

Cependant, il faut aussi des moteurs très efficaces. Deux exemples illustrent l'extraordinaire importance des gains d'Isp ; ils sont relatifs à des moteurs tous performants, d'Isp comprise entre 430 et 455 secondes :

- une augmentation d'une seconde sur le moteur Vulcain du lanceur "Ariane 5", capable de satelliser 18 000 kg en orbite basse, apporte, dans ce cas, un gain de 125 kg ;

- sur la navette spatiale américaine, une seconde gagnée sur les 3 moteurs principaux augmente la charge en soute de près de 250 kg sur 20 000 kg.

Or, le produit go Isp est proche de la vitesse d'éjection des gaz, dont la valeur théorique est elle-même :

R et g étant les constantes classiques caractérisant les gaz.

• La voie royale de l'hydrogène liquide

Cette formule montre qu'une Isp élevée nécessite une température To de combustion la plus haute possible, donc un grand pouvoir calorifique du couple d'ergols, et une masse moléculaire M faible des produits de combustion.

Ces deux points expliquent pourquoi on a recours, chaque fois que cela est possible, au couple oxygène liquide / hydrogène liquide (LOX/LH2), qui permet d'obtenir une Isp dans le vide supérieure à 440 s, 50 % plus élevée que ce que permettent les ergols classiques.

Cependant, l'emploi d'hydrogène liquide présente de grandes difficultés, qui sont liées à la fois :

- à sa très basse température : 20 K on exprime généralement la température en degrés Kelvin (K) comptés à partir du "zéro absolu", température au-dessous de laquelle il est impossible de descendre ; celui-ci se situant à - 273,16° C, les deux échelles sont décalées d'autant. ou - 250° C, à laquelle on rencontre des problèmes technologiques ardus liés à la contraction des matériaux et à leur fragilité ; de plus, tous les gaz, hormis l'hélium, sont solides dans ces conditions, ce qui oblige à des procédures compliquées d'assainissement et de mise en froid des nombreux circuits de l'Ensemble Propulsif ;

- à la taille de sa molécule, plus petite que celle de l'hélium, qui rend très difficile l'obtention d'étanchéités satisfaisantes, d'autant plus qu'aux basses températures il n'existe plus de joints souples ; de même, l'atome d'hydrogène peut migrer dans le réseau cristallin des alliages et ainsi les fragiliser ;

- à sa très faible densité (70 kg/m3) qui impose des réservoirs volumineux et relativement lourds, et qui nécessite des pompes à la fois très puissantes et à régime de rotation extrêmement élevé.

• Mais, au décollage, priorité à la poussée

En revanche, c'est en début de vol que le lanceur est le plus lourd et qu'il faut la poussée la plus forte ; de plus, comme dans cette phase le mouvement est ascensionnel, les premiers étages travaillent contre la pesanteur et seulement une fraction de l'effort appliqué, celle qui ne compense pas le poids, est utilisée pour accélérer le lanceur. Il y a donc intérêt à assurer la montée la plus rapide possible, de façon à réduire ce qu'on appelle les "pertes par gravité". Par suite, dans ce cas, la poussée devient un critère d'optimisation qu'il convient de maximiser.

Un propulseur plasmique PPS 1350 en fonctionnement © A. Souchier

En définitive, on aura affaire à des moteurs extrêmement puissants nécessitant des débits très élevés d'ergols, mais pendant des durées de seulement quelques minutes. C'est ainsi qu'Ariane 5 est doté d'un étage d'accélération composé de deux moteurs consommant chacun 230 tonnes en 2 minutes et développant ensemble une poussée totale atteignant 13 000 kN.

Pour des raisons à la fois de coût et de faisabilité technique, on doit alors utiliser des couples d'ergols plus classiques tels que oxygène liquide / kérosène ou, comme sur Ariane 4, péroxyde d'azote / dérivés de l'hydrazine ; et sur Ariane 5, on fait appel à la propulsion par combustibles solides. En contrepartie l'impulsion spécifique est toujours inférieure à 300 secondes.

• La course aux hautes pressions

La formule citée plus haut montre aussi qu'un moteur doit fonctionner avec un grand rapport de détente entre la pression de combustion Po et la pression de sortie Pe. Ceci conduit à allonger la tuyère, mais on ne peut aller très loin dans cette voie ;

- soit qu'à basse altitude la pression d'éjection soit trop faible par rapport à la pression atmosphérique ambiante, et que l'on se heurte à des effets aérodynamiques préjudiciables au bon fonctionnement du moteur ;

- soit qu'à haute altitude l'encombrement du divergent soit très élevé, ce qui augmente son poids propre ainsi que celui de la structure inter-étage qui le contient pendant le fonctionnement des étages qui le précèdent.

Aussi on est conduit à augmenter la pression au foyer ; mais, comme il se doit, cela ne va pas sans difficultés, lesquelles sont dues :

- à l'augmentation des transferts thermiques entre une masse gazeuse à 3 000 K et les parois de la chambre de combustion qu'il faut refroidir de plus en plus efficacement. Les flux thermiques transmis peuvent atteindre des valeurs aussi élevées que 5 kW/cm2 ;

- aux risques d'instabilité de combustion, de nature à détruire quasi instantanément le moteur ;

- à la nécessité d'augmenter les performances des turbopompes ;

- de façon générale à une plus grande sollicitation des matériaux.

• Flux dérivé ou flux intégré ?

*

Cependant, nous avons vu que les ergols servaient aussi, partiellement, à faire tourner les pompes. Une fraction de ceux-ci, environ 2 et 3,5 % sur les moteurs cryotechniques (LOX/LH2) d'Ariane 4 et 5, est brûlée séparément dans une chambre de combustion secondaire, avec un rapport de mélange très éloigné des proportions existant dans la chambre principale, de façon à produire des gaz relativement froids (800 à 900 K) et réducteurs qui ne détériorent pas les aubes de turbine. A leur sortie, ils participent aussi à la propulsion, mais médiocrement, car -bien qu'ils aient une masse moléculaire basse- leur énergie est faible ; en d'autres termes, une partie des ergols est éjectée à vitesse trop lente.

Un autre procédé consiste à faire passer la totalité du débit de l'ergol réducteur dans les turbines en luii donnant l'énergie nécessaire par une précombustion partielle, les gaz résultants étant ensuite brûlés de façon optimale dans la chambre de combustion principale.

Ce cycle, dit "à flux intégré" permet un gain d'Isp dans le vide d'environ 10 à 15 secondes par rapport au précédent, à flux dérivé ; cependant, comme toujours, ceci se paye par une complication technologique certaine, car l'étagement des combustions rend le schéma général plus complexe, conduit à une séquence de démarrage plus délicate à mettre au point et impose aux turbopompes de fonctionner à des pressions particulièrement élevées.

Sur Ariane, les moteurs ne sont pas récupérés comme sur la navette US ; il est donc important d'abaisser leur coût et ceci conduit à choisir le cycle à flux dérivé qui a, de plus, l'avantage d'être plus facile et plus rapide à développer.

Ce choix, économiquement raisonnable, est d'autant mieux justifié qu'il existe des voies de recherche, de nature à réduire l'écart de performances entre les deux types de moteurs.

Snecma Moteurs est engagée dans un important programme de recherche amont visant à préparer la propulsion des versions futures d'Ariane 5 ou de lanceurs de nouvelle génération.

Des travaux de recherche de base, conduits en étroite collaboration avec de nombreux laboratoires spécialisés dans les domaines de la mécanique, de la mécanique des fluides, de l'énergétique et des matériaux permettant d'améliorer la compréhension fine des phénomènes physiques et d'affiner les modèles mathématiques correspondants et, donc, de concevoir des matériels mieux optimisés.

La mission principale d'Ariane © A. Souchier

Par ailleurs, au plan technologique, Snecma Moteurs introduit dans ses moteurs à liquides les matériaux composites (à matrice céramique (CMC)), à la fois réfractaires et légers, qu'elle a développés initialement pour les besoins de la propulsion à poudre. On peut ainsi réaliser des divergents de tuyères non refroidis permettant simultanément un gain de masse et de meilleures Isp, ce dernier point étant lié à l'économie faite sur le fluide de refroidissement de la paroi métallique et à une meilleure qualité de l'écoulement du jet dans la tuyère.

Les progrès engrangés permettront de réaliser des moteurs moins chers, plus performants et capables de grands nombres de réutilisations. Selon la conception du lanceur, on privilégiera un ou deux de ces trois critères.

Enfin, à beaucoup plus long terme, il est possible d'améliorer les performances d'un lanceur en profitant de son parcours dans l'atmosphère. Pour un décollage horizontal, l'introduction d'une aile, créatrice d'une portance, supprime la nécessité d'équilibrer le poids par la poussée et évite ainsi les pertes par gravité correspondantes. En outre, les moteurs peuvent fonctionner en utilisant l'oxygène de l'air, ce qui divise par 3 la masse de fluides embarqués nécessaires à la phase transatmosphérique.

On est donc conduit au concept de l'avion spatial qui est à la fois : proche de l'avion classique dans les couches denses de l'atmosphère, hypersonique à haute altitude et, enfin, fusée pour atteindre l'orbite. Un tel avion, nécessairement très sophistiqué, sera récupérable et ses moteurs, obligatoirement légers, devront concilier trois modes de propulsion très différents.

En ce qui concerne la propulsion en orbite, l'éventail des évolutions possibles des moteurs dans les décennies à venir est beaucoup plus vaste. En effet, alors que des moteurs de très forte poussée sont nécessaires pour décoller et atteindre une orbite viable, une fois parvenus sur une telle orbite, des moteurs à faible poussée (fonctionnant plus longtemps) conviennent. Cela autorise tous les modes de propulsion électrique, dans lesquels différentes utilisations des champs électriques ou magnétiques vont produire l'accélération et l'éjection de particules chargées électriquement. La source d'énergie n'est alors plus liée aux fluides éjectés (en l'occurrence la réaction chimique "de combustion" pour un moteur fusée classique). L'énergie est fournie par des panneaux solaires, ou pour de futures fortes puissances (200 kW à plusieurs MW), par un réacteur nucléaire.

La propulsion électrique a déjà partout dans le monde des applications opérationnelles sur les satellites de télécommunications. Aujourd'hui elle est surtout réservée à de petits changements d'orbite (contrôle de la position sur l'orbite) mais elle est déjà appliquée pour envoyer des sondes expérimentales à des vitesses de plusieurs km/s (Deep Space One aux USA, SMART 1 en Europe).

Snecma Moteurs a développé le PPS 1350, moteur de 0,08 N de poussée (8 g force) pour 1350 W de puissance, qui a une impulsion spécifique 4 fois supérieure à celle d'un moteur fusée classique (4 fois moins de consommation d'ergols pour la même poussée). Un moteur de 0,4 N est en développement par Snecma Moteurs. Un moteur expérimental de 3 N a fonctionné aux USA. Or, 30 moteurs électriques de 3 N suffiraient à lancer vers Mars un lourd vaisseau habité de 50 tonnes en quelques semaines (pour 6 mois de voyage).

D'autres modes de propulsion sont possibles : par échange d'énergie entre masses liées par des câbles de centaines de kilomètres de long (déjà expérimenté jusqu'à 20 km !), par envoi d'énergie par laser (testé sur quelques dizaines de mètres), par voile solaire (les photons et particules émis par le soleil exercent la poussée) …

Pour décoller de la terre, comme pour aller plus loin dans l'espace explorer les planètes voisines, à commencer par Mars, la propulsion restera toujours la clé du voyage !