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La propulsion liquide

Dossier - Les fusées à ergols
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Christophe Olry, Futura

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Beaucoup rêvent déjà des vaisseaux archanges et des portails distrants imaginés par Dan Simmons, voyageant à des vitesses supra-luminiques ou permettant à leurs utilisateurs de se téléporter en n'importe où dans l'espace. La réalité est différente ....

  
DossiersLes fusées à ergols
 

Le principe de la propulsion liquide est plus complexe. Ici le combustible et le comburant (les deux « ergols ») sont stockés séparément, à l'état liquide et à basse pression (de l'ordre de 2 bars), dans deux sphères de stockage. A l'allumage du moteur, ils montent en pression et sont injectés conjointement dans la chambre de combustion du moteur. La réaction chimique crée alors une combustion très vive qui produit une grande quantité de gaz à hautes températures et pressions. Ces gaz sont accélérés dans la tuyère à des vitesses de 2000 m/s à 3000m/s puis éjectés.

A - Une prouesse technologique et un cauchemar d'horloger

Les contraintes de ce type de propulsion sont nombreuses. En effet, contrairement à la propulsion solide, il ne suffit plus d'insérer un bloc de propergols dans le moteur, puis de « mettre le feu aux poudres » pour l'allumer. L'extrême réactivité des deux ergols impose qu'ils ne soient pas mis en présence avant leur entrée dans la chambre de combustion. En effet, avec la tuyère, seule cette partie du moteur dispose de suffisamment de protections thermiques pour ne pas fondre sous la chaleur.

Ainsi, le moteur n'est plus simplement constitué d'une chambre de combustion, d'une tuyère et d'un allumeur comme dans le cas du solide, mais également de réservoirs, de turbopompes et d'un important réseau de lignes d'alimentation.


Sur cette photo du moteur Vulcain - © ESA, on peut mieux apprécier la densité du réseau de lignes et de vannes d'alimentation qui entourent la chambre de combustion d'un moteur à ergols liquides. Une tuyauterie à faire blêmir le plus patient des plombiers...

La seconde grande difficulté provient de la pressurisation des ergols. En effet, si ceux-ci doivent être injectés à haute pression (supérieure à cent bars) dans le divergent (pour améliorer les performances de la combustion et donc la poussée), ils ne peuvent être stockés à une telle pression. Pourquoi ? Simplement parce que plus un liquide est pressurisé, plus il pèse lourd. Et il est facilement compréhensible que plus la masse de la fusée est importante, plus il est difficile de l'arracher au sol. Ainsi, les ergols sont stockés à des pressions de 2 ou 3 bars (2 à 3 fois la pression atmosphérique) et doivent être pressurisés avant leur entrée dans le moteur. Il faut donc ajouter à cette « plomberie » complexe un cauchemar d'horloger, sous la forme de deux turbopompes qui pressurisent les ergols et doivent tourner pour ce faire à plusieurs dizaines de milliers de tours par minutes. Une particule de la taille d'un grain de sable dans les rouages, et c'est l'explosion !

Pressurisation de l'hydrogène et de l'oxygène par turbopompes du moteur cryotechnique Vulcain 2, (d'après un document CNES - ARIANESPACE).

B - La question du stockage des ergols

Les ergols susceptibles d'être utilisés dans les moteurs liquides sont nombreux, et se distinguent par leur température de stockage. Ce que les motoristes recherchent quand ils font le choix des composants chimiques est une réaction qui dégage le plus d'énergie possible, mais aussi des constituants très légers. Encore une fois, tout est une affaire de compromis.

Si le kérosène peut être conservé à température ambiante, il n'en est pas de même du couple Oxygène - Hydrogène (ou plus précisément LOX/LH2) utilisés dans les moteurs Vulcain et Vulcain 2 des fusées Ariane, qui, pour être stockés puis utilisés à l'état liquide, doivent être maintenus à des températures nettement inférieures à zéro degré celsius. Ces ergols, dits cryotechniques, doivent faire l'objet de précautions particulières, et imposent en particulier ce que l'on nomme une mise en froid du moteur avant la mise à feu.

Sphères de stockage d'ergols © EADS

La mise en froid, qui a souvent lieu à H0 - 5 secondes, consiste en un balayage au gaz neutre (ne réagissant pas avec les ergols, tel l'hélium) et cryogénique des lignes et vannes d'alimentation du moteur, afin que lors du début de l'injection, tout le circuit de distribution soit assez froid pour le passage des ergols cryotechniques.

C - Les avantages de la propulsion liquide

Ils sont très nombreux. Une fois qu'on arrive à passer outre la complexité de moteur liquide, il offre tout un champ de nouvelles possibilités.

Tout d'abord, il est réallumable. Ceci permet de le tester sur banc d'essai et de réaliser une expertise complète en terme de pressions, de températures et de poussée avant de l'intégrer au lanceur. Cela signifie également qu'il peut être éteint en vol si un incident survient dans l'étage, et qu'il peut être utilisé pour plusieurs manœuvres séparées dans le temps, ce qui lui confère un avantage non négligeable par rapport aux moteurs solides.

Ensuite, le moteur liquide peut être à poussée variable, c'est-à-dire qu'en théorie, son accélération peut être contrôlée en temps réel. Néanmoins, il n'est pas possible de piloter une fusée comme une voiture et, dans la pratique, un moteur ne fonctionne que sur un ou deux points de réglage. Dans le cas d'Ariane 5 équipée d'un moteur Vulcain 2 et deux boosters à propergol solide :

- Le moteur Vulcain 2 fonctionne sur un point de réglage « bas » entre H0 et H0+110 secondes. Ce choix est motivé par le co-allumage des deux boosters à poudre, dont les poussées cumulées suffisent à arracher la fusée du sol ;

Fusée Ariane 5 au décollage © Crédit Arianespace

- Les deux boosters à propergol solide sont allumés, ainsi que le moteur liquide cryotechnique Vulcain 2 ;

- Pendant les cent premières secondes de vol, de par la présence des boosters, le moteur fonctionne sur un point « bas » ;

- Ensuite il fonctionne sur un point supérieur, afin de pallier à la perte de poussée due au largage des boosters ;

- Enfin, au terme de la traversée de l'atmosphère il repasse sur le même point « bas ». Ici, c'est la pression atmosphérique qui est moins élevée, et la poussée du moteur qui s'en trouve accrue.