Ariane, l’espace au bout du fil ! – Épisode #2

Bonjour à tous !

Cette semaine, on continue la série de billets sur le lanceur Ariane. Ariane 5 qui a d’ailleurs réalisé son 74ème lancement consécutif réussi le 5 octobre dernier ! Lors de ce lancement, le 5ème de 2016, Ariane a mis en orbite un satellite pour un opérateur australien, et un autre pour l’agence spatiale indienne (ISRO). Dans ce nouvel épisode, on va se consacrer presque uniquement sur le thème de la propulsion spatiale. Mais, avant de poursuivre la série, procédons tout d’abord à un petit rappel de ce que l’on a balayé lors du précédent épisode !

ariane_pas_de_tir
Ariane 5 sur son pas de tir

Précédemment, sur Watts Up Science…

Un peu d’histoire d’abord ! On a vu les raisons qui ont motivé l’apparition du programme Ariane. Tout d’abord, la France, qui souhaite acquérir une indépendance spatiale, développe la fusée Diamant, véritable succès. En parallèle, un premier programme européen voit le jour, Europa, mais il se traduit par un échec. Et c’est sur les bases de ces deux expériences que naît le programme Ariane et l’Agence Spatiale Européenne !

Un peu de technique ensuite ! Pour présenter un lanceur, on distingue souvent deux éléments : les étages et la propulsion. Un lanceur est en effet composé de plusieurs étages : les étages inférieurs se séparent du reste du lanceur au fur et à mesure du lancement, permettant ainsi d’éliminer la masse superflue. Et la propulsion, on en reparle tout de suite ! 🙂

La propulsion spatiale

Concernant la propulsion donc, on a vu dans le précédent épisode que les lanceurs sont motorisés par des moteurs à réaction, produisant une poussée. Cette poussée résulte de l’éjection rapide de gaz issus de la combustion des ergols, qui peuvent globalement être de deux types : solide ou liquide.

Avant d’aller plus loin, on va introduire (ou réintroduire) un certain nombre de notions essentielles pour comprendre la propulsion spatiale.

Quelques notions préliminaires

Ergols : il s’agit d’une substance qui, seule (on parle de monergol) ou mise en contact avec d’autres ergols (on parle de bi-ergols, tri-ergols, etc.), fournit de l’énergie par opération de combustion.

Force : il s’agit de l’interaction entre deux objets ou systèmes. Par exemple, la Terre exerce sur nous une force d’attraction, la force de pesanteur ou poids. Une force est souvent mesurée en Newton (en termes d’analyse dimensionnelle, [N]=M.L.T^{-2}). On exprime aussi parfois une force en kilogramme force (kg ou kgf). Il s’agit là uniquement de pouvoir relier les notions de masse et de poids par la relation 1 kgf = 9,81 N, où 9,81 est la valeur de l’accélération de la pesanteur g_{0} apparaissant dans la formule de calcul du poids (P=m \times g_{0}).

Booster : il y a souvent des confusions sur ce terme. Un booster désigne le premier étage d’un lanceur. Or le premier étage des lanceurs présente généralement des moteurs à propulsion solide. Donc très souvent, par métonymie, un booster désigne un étage motorisé par de la propulsion solide, ce qui n’est pas tout à fait correct.

Poussée : il s’agit de la force produite par la combustion des ergols et par la libération des gaz ainsi produits à travers une tuyère. C’est cette force qui permet à la fusée de se « libérer » de l’attraction terrestre. On l’exprime souvent en kN.

Tuyère : on va beaucoup en parler dans ce billet, sans vraiment entrer dans les détails (qui viendront lors d’un billet futur sur la thermodynamique). Il est juste pour l’instant essentiel de savoir qu’une tuyère est un conduit de section variable (il présente notamment une section minimale, zone que l’on appelle col) qui permet de « convertir » de l’énergie thermique sous forme d’énergie cinétique.

Impulsion spécifique, notée Isp : c’est en quelque sorte une mesure de l’efficacité, du rendement d’un moteur. Il s’agit du temps pendant lequel 1 kg d’ergols peut produire 1 kgf de poussée. Elle s’exprime Isp = \frac{F}{q \times g_{0}}, où q désigne le débit (kg/s) des gaz éjectés. Ainsi, à poussée égale, plus l’Isp est importante, moins le moteur consomme d’ergols. C’est donc une grandeur que l’on cherche à maximiser.

Voilà pour cet interlude sémantique. On peut enfin rentrer dans le vif du sujet !

La propulsion solide

Le fonctionnement de la propulsion solide est globalement est assez simple. Je vous donne la recette ! Prenez un réservoir rempli d’ergols, un allumeur et une tuyère. L’allumeur sert à entraîner la combustion des ergols contenus dans le réservoir, et cette combustion produit des gaz qui, éjectés à travers la tuyère, permet de créer une force de poussée. Bien évidemment, tout n’est pas si simple (il faut dimensionner les réservoirs, la tuyère, insérer des protections thermiques, etc.) mais le principe de fonctionnement n’est globalement pas plus compliqué.

moteur_solide
Schéma simplifié d’un moteur à propulsion solide

La propulsion solide présente plusieurs avantages. Tout d’abord, sa simplicité permet d’obtenir des coûts de production relativement faibles par rapport aux autres technologies que l’on va décrire par la suite. Par ailleurs, elle permet d’atteindre des valeurs de poussée très importantes, jusqu’à plusieurs milliers de kN ! Néanmoins, les ergols solides présentent des Isp assez peu intéressantes (inférieures à 300 secondes). Enfin, la combustion ne peut pas être arrêtée avant la consommation totale des ergols, et la poussée produite est très peu modulable.

La propulsion liquide

On distingue globalement deux types de moteurs à propulsion liquide. La principale différence entre ces types de moteurs est la façon dont ils mettent sous pression les ergols, ce qui est un élément important pour la poussée. On pourrait en effet montrer que cette poussée est directement proportionnelle à la pression d’éjection des gaz en sortie de tuyère.

Les moteurs pressurisés
Il s’agit des moteurs à propulsion liquide les plus simples. Les ergols sont mis sous pression sous pression dans leur réservoir spécifique à l’aide de gaz appelés gaz de pressurisation. Il est important de choisir des gaz qui ne réagissent pas avec les ergols en question : pour ce faire, on choisit souvent des gaz rares comme l’hélium ou le néon.  Une fois pressurisés, les ergols se rendent dans la chambre de combustion d’où ils sortent sous forme de gaz chauds prêts à être éjectés à travers une tuyère.

moteur_pressurise
Schéma simplifié du fonctionnement d’un moteur à propulsion liquide pressurisé.

Ces moteurs présentent l’avantage d’être assez simple à produire et sont donc assez peu coûteux. Néanmoins, une telle pressurisation des ergols a tendance à dégrader l’Isp des ergols. Enfin, les parois des réservoirs doivent être suffisamment épaisses afin de résister à la pression exercée par les gaz de pressurisation, ce qui est dommageable en termes de masse.

Les moteurs à turbopompe(s)
Les moteurs turbopompés sont quant à eux des moteurs cycliques. On a déjà parlé de cycle dans le billet sur le fonctionnement d’une voiture. On avait d’ailleurs vu que cette notion est souvent un peu abusive dans le sens où le système subissant la transformation (ici, les ergols) ne revient pas à son état initial à la fin de cette transformation.

529px-moteur-vulcain
Moteur Vulcain 1 : moteur turbopompé

Pour ces moteurs, les ergols ne sont pas pressurisés à l’aide de gaz de pressurisation, mais à l’aide d’une ou plusieurs turbopompe(s). De tels moteurs sont plus coûteux, mais présentent globalement de meilleures performances que les moteurs pressurisés.

Le choix de la propulsion

Le choix de la propulsion se fait notamment en fonction des étages. En effet, chaque étage présente une fonction particulière, évolue dans un milieu (en termes de densité) différent et on ne les motorise donc pas de la même façon.

Par exemple, un booster s’allume au sol tandis qu’un deuxième étage s’allume généralement plutôt en altitude et les étages supérieurs s’allument dans le vide. Cela se traduit notamment par des besoins en poussée de plus faibles pour les étages supérieurs que pour les étages inférieurs, du fait que l’attraction terrestre, de même que la résistance de l’air, est plus faible quand on prend de l’altitude. On utilisera donc plutôt des étages à propulsion solide pour le premier étage, et des moteurs à propulsion liquide pour les étages supérieurs.

Et Ariane dans tout ça ?

La figure suivante présente Ariane 5 dans son ensemble. On va ici juste s’intéresser à l’aspect motorisation, mais on aura l’occasion de revenir sur cette figure par la suite !

ariane_5
Figure issue du Launch Kit d’Ariane 5 pour le vol VA 232 d’août 2016

Ariane 5 est composé de trois étages. Le premier étage, le booster, est composé de ce que l’on appelle des EAP (Étage d’Accélération à Poudre), qui sont au nombre de deux, de part et d’autre du lanceur. Chacun de ces EAP est repéré sur la figure par « P240 », ce qui signifie que chaque EAP présente une propulsion solide (P désigne en effet l’ergol solide HTPB) et 240 tonnes d’ergols. Ils fournissent 90% de la poussée au décollage. En effet, le moteur du deuxième étage, le moteur Vulcain, est aussi activé au décollage. Il est repéré par le sigle « H173 », ce qui signifie qu’il s’agit d’un moteur à propulsion liquide (H désigne en fait l’ergol LOX/LH2 – oxygène liquide, hydrogène liquide) et ce moteur présente 173 tonnes d’ergols. Le moteur Vulcain est un moteur turbopompé (à générateur de gaz). Enfin, le dernier étage d’Ariane 5 est motorisé par le moteur turbopompé (à générateur de gaz) HM7B repéré par « H14,6 » (14,6 tonnes d’ergols LOX/LH2). Sur une précédente version d’Ariane 5, le dernier étage était motorisé par un moteur pressurisé, appelé Aestus, alimenté par le couple d’ergols N2O4/UDMH.

C’est tout pour ce deuxième épisode ! J’espère qu’il vous a plu et qu’il vous a éclairé sur la façon dont fonctionne globalement les moteurs des lanceurs. On se retrouve très vite pour l’épisode #3 ! 🙂

Sources

Toutes les images, hormis les schémas qui sont dus à Watts Up Science, sont issues, sauf mention contraire, du site du CNES. http://www.cnes.fr/

Pour aller plus loin : Quelques détails supplémentaires sur les moteurs à propulsion liquide turbopompés

A venir…

Advertisements

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s