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La propulsion d'Ariane 5
au décollage

 

Le premier lien qui existe entre la Terre et l’espace est la fusée. Partez à la découverte de la fusée européenne Ariane V et de son système de propulsion...

 

 

 

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>> Sommaire de cette page

 

 

 1. Introduction Ariane V au décollage

 2. Présentation d'Ariane V

       Etude générale

             Bref historique sur Ariane-Espace

             Puissance d'Ariane V

             Structure d'Ariane V

       Le moteur Vulcain

             Le moteur

             Les réservoirs

       Le futur d'Ariane V

             Ariane V dans le monde

             Les améliorations d'Ariane V

 3. Principes fondamentaux de la propulsion...

       Etude physique

       Etude chimique

       Les propergols

             Propergols solides

                  Description, fonctionnement,

                  inconvénients et avantages

             Propergols liquides

                  Description, fonctionnement, quelques exemples de propergols liquides et

                  de leurs propriétés, inconvénients et avantages

 4. Conclusion

 5. Bibliographie

 

 

  

 

>> Introduction

 

 

Le premier lien qui existe entre la Terre et l’espace est la fusée. Dans de très nombreux domaine de notre société, les satellites sont devenus indispensables (télécommunication, audiovisuel,...). La maîtrise des lancements spatiaux est un enjeu majeur du siècle prochain. En effet, l’essor actuel  de télécommunications et des outils d’information nécessite des investissements permanents de recherche et de développement. Toujours plus performant, leur encombrement et leur masse ne font cependant que d’augmenter. Par conséquent les lanceurs spatiaux doivent évoluer dans les mêmes proportions.

 

 

Ariane V au décollage.

 

C’est ainsi que le lanceur Ariane V a été  conçu dans une optique de performance, mais aussi de fiabilité et rentabilité. Le développement de la fusée Ariane s'effectue sous la conduite de l'Agence spatiale européenne (ESA), avec le Centre national d'études spatiales (CNES) pour maître d’oeuvre; sa réalisation industrielle est confiée au groupe Aérospatial, coordonnant en tant qu'architecte industriel les différents apports des sociétés européennes participant à la construction de la fusée; enfin, l'exploitation commerciale est assurée par la société Ariane Espace, créée en mars 1980. Tous les tirs s'effectuent depuis le Centre spatial guyanais (CSG) de Kourou, en Guyane française, où un effectif de plusieurs centaines de personnes travaille en permanence pour assurer la mise en oeuvre des installations. Une grande part de l’efficacité de cette fusée est due aux spécificités de son premier étage. On se propose alors d’étudier les principes fondamentaux de la propulsion astronautique, puis le coeur de ce lanceur, le moteur vulcain.

 

  

Décollage de la fusée.

 

 

Détachement des éléments.

 

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>> Présentation d'Ariane V

 

 

 

Etude générale

 

 

Bref Historique sur Ariane-espace

 

Arianespace ne lance Ariane que depuis 1979. Les premières Ariane II et III arrivent à partir de 1984 et la première Ariane IV arrivera en 1988. Mais, en novembre 1987, avant donc que la première Ariane IV soit lancée, l'Agence Spatiale Européenne (ESA - European Spatial Agency) décide lors d'un conseil réuni à La Haye de lancer le programme Ariane V.

 

Ariane V est donc né d'une Europe unie qui souhaite dès maintenant s'imposer dans le domaine spatial pour préparer les années 2000 où des complexes orbitaux devraient être assemblés. Ariane V a donc été développé dans un souci de puissance et de capacité d'emport, mais aussi dans un cadre de réduction des coûts. La structure et la morphologie du lanceur ont dû être revues et les industriels européens ont développé de nouvelles technologies comme le moteur Vulcain du premier étage conçu par la SNECMA.

 

Aujourd'hui, Ariane V est le lanceur commercial le plus puissant du monde. En fait, une seule fusée actuellement, la Titan IV-B Centaur américaine est plus puissante mais ce lanceur reste militaire est n'est utilisé que par le Pentagone et des missions interplanétaires lourdes. Mais Ariane V sera aussi un lanceur évolutif et les ingénieurs vont lui fournir de nouveaux systèmes pour accroître aux fils des années.

 

 

Puissance d'Ariane V

 

Ariane V rime avec puissance. La toute première version d'Ariane V avait une capacité d'emport sur orbite de transfert géostationnaire (GTO) de 6,8 tonnes. La plus puissante version d'Ariane IV, la version 44L, ne pouvait envoyer que 4,4 tonnes sur la même orbite Ariane V est donc une révolution. En plus, l'Europe a voté des budgets pour l'amélioration du lanceur. Ainsi, en quelques années, la capacité d'Ariane V doublera offrant un panel de lanceur varié, s'adaptant aux clients et à la mission. A l'heure actuelle, Ariane V est le lanceur opérationnel le plus puissant du monde. Son moteur Vulcain capable de délivrer une poussée atteignant cent dix tonnes dans l’espace serait étudié plus tard.

 

 

Structure d'Ariane V

 

Ariane V se compose d’un composite inférieur, commun à tous les lancements, et d’un composite supérieur variant suivant la nature de la mission. Le composite inférieur est un ensemble propulsif formé par un étage principal cryotechnique (EPC) complété par deux étages d’accélération à poudre (EAP).

 

 

Structure de la fusée Ariane V.

 

Le composite supérieur est constitué d’un étage à propergols stockables (EPS), dont le moteur AESTUS satellise la charge utile placée sous la coiffe de la fusée, la structure porteuse SPELTRA  pouvant emporter plusieurs satellites. Ainsi nous pouvons décomposer plus précisément le lanceur de cette façon :

 

- La coiffe, sommet de la fusée ou est entreposé la SYLDA 5 qui est l’un des deux systèmes de lancement multiple. En effet l’une des particularités d’Ariane V est de pouvoir pratiquer des lancements double c’est à dire de deux satellites à la fois. Pour cela on dispose de structures de lancements multiples.

 

- La SPELTRA est l’autre système de lancement multiple d’Ariane V. Cette structure se pose sur la case à équipements et est en contact avec l’extérieur. Cette structure forme une cloche ce qui permet d’entreposé un satellite dans le cas d’un lancement double. Contrairement a la SYLDA 5 qui se trouve dans la coiffe, la SPELTRA se place entre la case à équipement et la coiffe.

 

 - La case à équipement, contient tous les instruments de vol sur un plateau horizontal de 33.4cm situé dans l’anneau. En fait, le système n’occupe que la moitié, l’autre moitié étant la copie du système en cas de défaillance. La Case à équipements est le véritable cerveau d'Ariane 5. En effet, Ariane 5 n'est pas pilotée du sol mais se télécommande elle-même avec ses propres capteurs et calculateurs.

 

- L’étage à Propergols Stockables  (EPS) est le second étage d’Ariane V. Il utilise des carburants ni solide, ni de type hydrogène/oxygène. Il s’agit du peroxyde d’azote et du monométhylhydrazine (MMH). Ces deux ergols entre en combustion par simple contact entre eux sans oxygène. On les appelle alors hypergoliques. Cet étage pèse à vide 1,2 tonnes pour 11 tonnes quand il est rempli avant le décollage.

 

- L’étage suivant est un étage de propulsion utilisant le nouveau moteur AESTUS développant 29kN de poussée dans l’espace (équivalent d’une poussée de 3 tonnes au sol). Il fonctionnera en tout pendant 1100 secondes (18min 30s.). Il a la rare qualité actuellement d’être réallumable, permettant de lancer des « constellations » de satellites et les placer un à un sur une orbite souhaitée. Ce moteur est orientable par deux servomoteurs électriques.

 

- Les étages d’Accélération à Poudre (EAP) d’Ariane V sont ses boosters ou ses fusées d’appoint. On peut les comparer à un énorme pétard contenant 237.7 tonnes de poudre. En fait, on canalise sa combustion pour propulser Ariane V et lui permettre de s’arracher du sol. Les EAP fournissent en effet la grande majorité de la poussée au décollage, pas loin de 90% de la poussée totale lors du décollage. Une fois allumée les EAP ne sont pas éteignables. La poussée maximale est de 6709kN (soit l’équivalent de 684 tonnes au sol), alors que la poussée moyenne durant le vol est de 4984kN (soit 508 tonnes de poussée). Il fonctionnera 129 secondes mais sera largué après 90 secondes de vol grâce à 8 fusées d’éloignement. Ces EAP constituent le moteur à propergol solide.

 

- Enfin le dernier étage est l’Etage Principal Cryotechnique (EPC). On peut qualifier cet étage d’énorme thermos de 30 mètres de haut contenant 26 tonnes d’hydrogène et 132.5 tonnes d’oxygène liquides refroidis. En effet on refroidit ces deux éléments afin qu’ils occupent moins de volume. Le volume d’un élément liquide est moins important qu’en étant à l’état de gaz. Es 132 370 kg d’oxygène sont maintenus à –183°C et les 25 840 kg d’hydrogène à –253°C. A ces températures, les deux éléments sont passés à l’état liquide pour être mis dans les réservoirs.

 

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Le moteur Vulcain

 

 

 

Le moteur

 

Cet imposant étage dispose d'un seul et unique moteur, appelé Vulcain. Conçu par la Snecma, ce moteur a une poussée moyenne de 1125 kN soit au niveau du sol, une poussée de 115 tonnes (il peut soulever 115 tonnes). On voit donc en fait que ce moteur n'est pas le principal lors du lancement, car Ariane 5 pèse pas loin de 790 tonnes au décollage. Viennent à son aide les fusées d’appoint lors du décollage, alimentées par les propergols solides.

 

 

Structure du moteur et des réservoirs.

 

 

Le moteur va donc fournir cette poussée en éjectant 1250 kg/s de gaz chaud à 3300°C. Ces gaz chauds sont en fait de la vapeur d'eau. La pression de combustion est de 110 bars, ce qui est assez élevé comparé à d'autres moteurs de fusée. Il y a dans le moteur 516 injecteurs qui injectent sous haute pression, l'hydrogène et l'oxygène. La chambre de combustion est elle-même refroidie par de l'hydrogène liquide prélevé dans le circuit.

 
Le divergent ou tuyère du moteur permet d'orienter les gaz qui sortent à quelques 4 km/s (14400 km/h). Il s'agit en fait d'un enroulement en hélice de 456 tubes dans lequel circule de l'hydrogène liquide. Cela permet de refroidir cette tuyère et éviter qu'elle fonde.
L'alimentation du moteur se fait grâce à deux turbopompes (pompes à haute vitesse) :

 

- La pompe à hydrogène, qui tourne à 33000 tr/min. Elle développe une puissance de 15 MW soit 21000 chevaux. C'est l'équivalent de la puissance de deux rames de TGV ! Cette turbopompe est le fruit de longues études menées sur les roulements et les matériaux car la pompe atteint, par paliers, des vitesses critiques où le rotor de la pompe (partie mobile) doit être parfaitement équilibré.

 

- La pompe à oxygène tourne à 13000 tr/min. Elle développe une puissance de 3,7 MW. Toutefois, elle n'atteint pas de vitesse critique. Il s'agit surtout d'étudier des matériaux qui n'entrent pas en combustion avec l'oxygène véhiculé.

 

Ces deux pompes sont alimentées par une turbine dite générateur de gaz chauds. Cette turbine est comme une seconde chambre de combustion qui prélève environ 3% du combustible. Cette pompe permet de fournir l'énergie à la propulsion des deux pompes. Les gaz produits entraînent les pompes et sont ensuite rejetés par deux petits tubes situés de par et d'autre de la tuyère principale du moteur.

 

Le moteur est démarré au sol afin que l'on puisse contrôler son fonctionnement avant l'allumage irréversible des deux boosters EAP. Le moteur est allumé par un démarreur à poudre qui lance les turbopompes et de petits explosifs qui allument la combustion dans les chambres de combustion.

 

Le moteur et sa tuyère mesurent 3 m de haut et 1,76 m de diamètre pour 1685 kg. Il va fonctionner durant un vol normal, a peu près 10 minutes. Le moteur est testé pendant environ 7 secondes. En cas d'anomalie, on le coupe et le lancement est reporté. Mais, si tous les systèmes répondent, on allume les EAP et Ariane 5 décolle instantanément.

 

 

Les réservoirs

 

L'oxygène et l'hydrogène liquides sont maintenus à basse température pour les garder liquides. Il y a donc, un réservoir inférieur de 391 m3, renfermant 26 tonnes d'hydrogène. Au-dessus, on trouve un deuxième réservoir à fond commun avec le premier de 123 m3, renfermant 132,5 tonnes d'oxygène.

 

L'épaisseur des réservoirs est de l'ordre de 4 mm sur les parois avec une protection thermique en polyuréthane expansé de 2 cm d'épaisseur. Les deux réservoirs sont pressurisés (mis sous pression) quelques 4 h 30 min avant le décollage avec de l'hélium. Cet hélium provient d'une sphère située à côté du moteur Vulcain. Cette sphère est isolée thermiquement par une poche d'air. Ces 145 kg d'hélium sont pressurisés à 19 bars au décollage puis 17 au cours du vol. Cet hélium va  pressuriser les réservoirs à 3,5 bars pour l'oxygène et 2,15 pour l'hydrogène.

 

Au cours du vol, l'oxygène sera pressurisé à 3,7 puis 3,45 bars toujours avec de l'hélium. Le débit moyen d'hélium dans le réservoir est de l'ordre de 0,2 kg/s. L'hydrogène liquide sera maintenu sous pression par de l'hydrogène gazeux. Cet hydrogène gazeux est prélevé en bas de l'étage avant le moteur, puis réchauffé et transformé en gaz (à environ -170°C), est réinjecté dans le réservoir d'hydrogène liquide. En moyenne, cela représente un débit de 0,4 kg/s. Il y a donc tout un jeu de valves et de vannes pour commander les différentes pressions.

 

Un système spécial prélève le combustible dans les réservoirs. Il fournit au moteur, quelques 200 litres d'oxygène et 600 litres d'hydrogène par seconde.

 

Un autre système d'hélium permet de pressuriser des canalisations servant à l'alimentation des pistons pneumatiques pour contrôler l'inclinaison du moteur. Les deux réservoirs de 300 litres sont mis sous la pression de 390 bars. Ils sont construits en un composite carboné et en titane.

 

 

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Le futur d'Ariane V

 

 

 

Ariane V dans le monde

 

Arianespace depuis le début de la construction  de la station spatiale internationale (ISS) est chargé du ravitaillement de la station, contrat confié à l’Europe par la NASA. Ainsi, Ariane V lancera périodiquement un module ATV (Automated Transport Vehicle – Véhicule Automatique de Transport, voir le dossier concernat l'ATV) qui servira à alimenter l’ISS en carburant, nourriture, matériel, expériences.

 

 

Les améliorations d'Ariane V

 

En 2001, Ariane V a reçu ses premières améliorations. Les principales évolutions ont été :

 

- Changement du moteur Vulcain, par le moteur Vulcain Mk2 qui développe une poussée de 1350 kN dans le vide, soit au niveau du sol une poussée équivalente à 140 tonnes. Le moteur Vulcain Mk2 développe donc une poussée de 19% supérieur au moteur de base Vulcain

 

- L'agrandissement du réservoir d'oxygène liquide (EPC) permettant d'emporter 15 tonnes d'ergols (combustible) en plus. Cela fait une augmentation de 11% de la quantité massique d'oxygène. Cela permettra donc de fournir plus d'ergols au nouveau moteur Vulcain Mk2 plus puissant.

 

- L'augmentation de 2430 kg du segment supérieur des EAP. On va ajouter plus de poudre combustible dans les boosters d'Ariane 5.

 

- L'allègement de la case à équipements (cerveau informatique d'Ariane) en utilisant une coque en composite au lieu de l'aluminium. On gagnera quelques centaines de kg.

 

- L'utilisation d'un nouveau 2e étage dit ESC-A (Étage Supérieur Cryotechnique A) utilisant un moteur HM-7B équipant déjà le 3e étage d'Ariane 4 (ici moteur AESTUS). Cet étage cryogénique change de l'EPS (Étage à Propergols Stockables) actuel car il utilise de l'hydrogène et de l'oxygène liquides alors que l'EPS utilise des ergols liquides autres (UH-25 et peroxyde d'azote). Cet étage emportera 14,4 tonnes d'oxygène et hydrogène liquides.

 

   

 

En 2002, une version d'Ariane 5 Versatile a été proposée. La principale modification est :

 

- L'utilisation d'un nouvel étage héritier de l'actuel EPS. Ce nouvel étage emportera 250 kg d'ergols en plus que l'EPS. Il disposera surtout de la capacité d'être rallumable de multiples fois afin d'effectuer des lancements de multiples satellites, d'effectuer des phases balistiques (envoi de sondes vers Mars par exemple) ou bien de larguer un satellite puis changer d'orbite pour en larguer un deuxième.

 

- La possibilité d'utiliser de multiples adaptateurs de lancement, trois modèles de coiffe différente, deux types de SYLDA et trois types de SPELTRA. Ces deux dernières structures permettent des lancements double en plaçant sous une de ces structures en cloche un satellite et au-dessus, un autre.

 

Pour 2003, le principal changement sera opérée sur les EAP (boosters). En effet, les viroles (ou collier) qui entourent les EAP seront non plus fixés par pions, mais soudés directement sur les EAP. Cela permet d'amaigrir Ariane 5 de 2 tonnes par EAP. Ce projet est déjà en cours de test, sachant que les soudures à l'échelle grandeur nature et les tests sont en cours.

 

Pour 2005, ont continue les améliorations:

 

-Utilisation d'un nouvel étage dit ESC-B (Étage Supérieur Cryotechnique B) qui comme son prédécesseur ESC-A utilisera de l'hydrogène et de l'oxygène liquides. Il en emportera cette fois-ci 24 tonnes. De plus, l'étage sera équipé d'un tout nouveau moteur de la Snecma, appelé Vinci, qui est rallumable et a une poussée de 150 kN (avant : 29 kN).

 

- De nouvelles améliorations pour les satellites sont envisagées et seront développées dans les prochaines années.

 

 

 

 

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>> Principes fondamentaux de la propulsion astronautique

 

 

 

Etude physique

 

 

  

Un lanceur spatial a pour mission de placer une charge en orbite, pour cela il doit fonctionner dans l’atmosphère et le vide. La fusée décolle si la force de poussée générée par le système propulsif est supérieure au poids de la fusée. Cette poussée est due à la force exercée par les gaz d’échappement qui doit être plus importante que la masse de la fusée + la gravitée pour pouvoir sortir de l’atmosphère terrestre . Elle correspond à la somme des accélérations communiquées par les gaz. Elle est régie par la loi fondamentale de la propulsion :

 

 

Où...

V est la vitesse du lanceur
W est la vitesse des gaz
m est la masse initiale du lanceur
m’ est la vitesse finale du lanceur
Vo est  un facteur de pertes dues à la gravité des planètes environnantes, de la Terre  et aux frottements de l’air (en m.s-1)

 

Le principe de cette propulsion fait directement appel au principe newtonien de l’action et de la réaction : pour un système isolé, telle une fusée dans l’espace (modélisons ce système en négligeant les forces extérieures telles que les forces de gravitation des astres environnants), ce principe décrit que dans un système, la somme des forces intérieures s’exerçant sur les différentes parties de ce  système est nulle.

 

pour un système à n parties distinctes

 

En considérant les différentes parties mobiles et indépendantes de la fusée (en fait la structures principale séparément des gaz éjectés), on peut affirmer que les forces intérieures au système : {fusée} ie {structure + gaz éjectés} sont en fait des forces extérieures pour chaque partie indépendante {structure} et {gaz éjectés}.

 

Or d’après le principe fondamental de la dynamique : dans un référentiel Galiléen ou supposé tel, la somme de forces extérieures appliquées sur le système est égale au produit de la masse du système par le vecteur accélération de son centre d’inertie :

 

  i .e.  

est la quantité de mouvement  et 

 

D’après ce qui précède on peut donc affirmer que :

 

 i.e.  de chaque partie=cste

 

 

Le principe de la propulsion s’énonce alors grâce à la conservation de la quantité de mouvement, que nous avons établie.

 

Considérons une fusée de masse m et de vitesse V, la vitesse d’éjection des gaz étant notée W :

 

- au temps t : P = mV
- au temps t + dt : p = (m-dm)(V+dV)+dm(V+dV-W)

 

d’après le principe de conservation de la quantité de mouvement:

 

 

 

mV = (m-dm)(V+dV)+dm(V+dV-W)  m dV = -W dm (1)
d’où : dV = -W dm/m

Qui par intégration donne l’équation fondamentale de la propulsion par fusée :

dV= -W ln m + cste
or au décollage, V=0
V=0= -W ln m + cste
cste= W ln mo
dV= -W ln m + W ln mo

                               

 

On introduit ensuite une quantité homogène à une force, appelée la poussée :

 

F=q*V’ où q est le débit massique en gaz
 

et V’ la vitesse d’éjection des gaz

 

Les moteurs spatiaux sont caractérisés par leur poussée qui est généralement désirée très grande afin d’obtenir une accélération suffisante, mais aussi par leur impulsion spécifique : Is. L’impulsion spécifique est le temps pendant lequel la consommation de 1 kilogramme de carburant donne une poussée de 1 kg.force ( =9.81 N). On a :

Is=F/(go*q)=V’/go où go est l’accélération induite par la gravité à la surface de la Terre

    Plus l’impulsion spécifique sera importante et meilleure sera le moteur (on obtient alors une poussée mieux "répartie" dans le temps, moins "explosive").

De ces équations on déduit quelques généralités :

    -     un lanceur accélère d’autant plus que la vitesse des gaz est grande

    -     la poussée dépend de la quantité de gaz fournis et de leur vitesse

    -     m/m’ doit être maximum pour favoriser la propulsion, c’est-à-dire que la structure du système est voulue négligeable (la masse finale est alors minimale)

  

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Etude chimique

 

 

Le but des moteurs d’un lanceur est donc d’éjecter des gaz à grande vitesse. L’énergie nécessaire à un tel processus est tirée de substances chimiques. On appelle propergol l’ensemble des produits actifs éjectés par le système propulsif. Les ergols sont les constituants initiaux de propergol, stockés séparément, et qui combinés fournissent l’énergie nécessaire.

 

Très généralement, la réaction entre les ergols est du type oxydoréduction : on réunit un élément oxydant de forte électronégativité appelé comburant, avec un élément réducteur de faible électronégativité appelé combustible. L’énergie dégagée augmente avec la différence de ces électronégativités, d’après l’échelle de potentiels électriques.

 

A priori, on cherche donc à combiner les oxydants F, O ou Cl avec les réducteurs H, Li, Be, B, Al, C, N. Ces réactions d’oxydoréduction dégagent une très forte énergie, elles sont appelées combustions.

 

Exemples d‘impulsion spécifique de quelques couples « redox » 

Oxydant

Combustible

Impulsion (s)

Rapport de mélange

O2

H2

440

4.02

O2

UDMH

310

1.65

N2O4

Hydrazine

292

1.34

N2O4

UDMH

285

2.61

 

 

Les éléments formés acquièrent une vitesse d’éjection en rapport avec l’énergie produite, selon l’équation de l’énergie cinétique Ec=1/2*M*v^2, ou encore V=(2*Ec/M)^(1/2). Ainsi, il semble évident que la masse de l’élément éjecté intervient dans les éléments a prendre en compte pour un meilleur fonctionnement, celle-ci doit être minimum. On en déduit qu’il est  préférable de combiner des ergols qui engendreront des produits ayant une masse la moins forte possible.

 

Une tuyère convergente-divergente (de type Laval) transforme en énergie cinétique une part aussi importante que possible de cette énergie thermique, et dirige également la course en déviant le jet. Chargée d'orienter le vecteur poussé jusqu'à 6 degrés, la tuyère est mobile grâce à une butée flexible composée d'éléments métalliques et élastomères. Fortement intégrée dans le moteur, la tuyère comporte des pièces de protection thermique en matériau rigidimère. Le col est composé de pièces en carbone-carbone garantissant une faible érosion pendant le fonctionnement. Le divergent est composé de carters en alliage léger et de pièces en carbone et silice phénoliques. L'homogénéité des pièces en matériau composite, la qualité des collages et la précision du montage des pièces sont assurées par des contrôles tout au long de la réalisation de la tuyère.

 

  

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Les propergols

 

 

Un propergol est une substance dont la décomposition ou la réaction chimique produit de l’énergie utilisée pour la propulsion d’une fusée. Le terme de propergol désigne à la foi le carburant et le comburant nécessaire à cette propulsion.

 

Au cour du lancement de la fusée on fait varier le rapport de mélange qui est le rapport entre la masse de comburant et celle de combustible. Ceci dans le but d’éviter qu’à la fin du vol, il ne reste que l’un des deux.

 

Le moteur d’une fusée constitue un système autonome car il utilise des propergols. Ceux-ci ont la propriété de brûler sans utiliser l’oxygène de l’aire. De plus ils produisent une grande quantité de gaz chaud canalisée dans une tuyère et utilisé pour la propulsion. 

 

Il existe deux types de propergols :

 

   -    Les propergols solides

   -    Les propergols liquides

 

 

 

Propergols solides

 

Description :

Avant, les propergols solides étaient fabriqués à l’aide de composés pulvérulents. On les appelait « propergols à poudre ». Aujourd’hui, ils sont composés d’une matière caoutchouteuse correspondant au carburant et au comburant, coulé sous forme solide avec l’ajout de produits stabilisateurs pour éviter des réactions prématurées.

 

Ces propergols produisent une impulsion de l’ordre de 180s, utilisé dans les étages d’accélération et les boosters.

 

Il existe deux types de propergol solide :

 

    -    Les propergols solides homogènes ou doubles base, qui contiennent dans leurs molécules l’élément oxydant et l ‘élément réducteur.

 

    -    Les propergols solides hétérogènes ou composites, où l’élément oxydant et l’élément réducteur sont séparés. 

 

Cependant, une nouvelle famille de propergols a fait son apparition, on les appelle les « nitragols », couramment appelé propergol double base composite.

 

Fonctionnement :

La fusée se présente comme un conteneur creux contenant une certaine quantité de propergol sous forme solide ou pulvérulent que l’on pourrait assimiler à un explosif. Le propergol est brûlé dans une tuyère qui est un large tuyau de refoulement des gaz. Cela produit une grande quantité de gaz chaud qui sont éjecté avec force vers l’arrière de la fusée et produisent une propulsion vers l’avant.

 

 

 

 

 

 

Dans une fusée à propergol solide, au moment de la mise à feu du combustible, les gaz émis sont rejetés par la tuyère, ce qui propulse la fusée.

 

 

 

 

 

 

 

 

Il est impossible d’interrompre la combustion d’un bloc de propergol solide. Cependant, il est possible de prévoir le niveau combustion dans le temps, et ainsi régler le moteur de façon précise. Lors de la conception du chargement de propergol, on utilise un profil de perforation adéquate afin d’obtenir une loi de poussée quelconque.

 

C’est le diamètre du bloc qui définit le temps de combustion et c’est la surface de combustion qui définit la poussée. Ainsi, avec une perforation étoilée on pourra obtenir une surface de combustion approximativement constante.

 

Selon que la poussée croit, décroît ou est constante dans le temps, le bloc est dit progressif régressif ou neutre.

 

Ci-dessous quelques exemples de contours et leur loi de poussée (fonction du temps) respective :

 

 

L’allumage est un système de type bougie ou résistance électrique en général fait vaporiser une partie du solide. Cette vapeur vient au contact du propergol qui se consume et engendre des vapeurs à son tour. La combustion a lieu à l’intérieur même du réservoir qui sert de chambre de combustion.

 

 

Inconvénients :

Les inconvénients des propergols solides sont très réels par rapport à ceux que présentent les propergols liquides : performances énergétiques inférieures, temps de combustion très brefs, accélérations très élevées, impossibilité d’interrompre la réaction une fois que celle-ci est déclenchée, coût élevé.

 

Avantages :

Leur utilisation est plus simple, le moteur se réduit à la chambre de combustion et à la tuyère et ils sont prêts à fonctionner à tout moment sans que se posent de trop sérieux problèmes de stockage, ce qui finalement leur donne une grande importance aussi bien dans les engins militaires que dans les lanceurs civils.

 

 

 

 

Propergols liquides

 

Description :

Les propergols liquides sont composé d’un carburant et d’un comburant distinct, stocké séparément dans deux réservoirs. Le plus souvent, le carburant utilisé est l’hydrogène liquide et le comburant est l’oxygène liquide. Il existe deux types de propergols liquides :

 

-    Les propergols liquides stockables : par exemple le mélange peroxyde d’azote N2O4 qui est l’oxydant et l’hydrazine ou dérivés comme combustible.

 

-     Les propergols cryogéniques  qui sont à pression et à températures ordinaires. On les refroidit afin de les obtenir sous forme liquide. Ils prennent alors place dans les réservoirs de tailles classiques. Un exemple de propergols cryogéniques : Le couple hydrogène H2 (combustible) et oxygène O2 (oxydant) constitue le mélange le plus connu et il est actuellement utilisé sur Ariane 5.

 

Fonctionnement :

La mise en relation du carburant et de l’oxydant produit une réaction chimique qui engendre des gaz nécessaires au fonctionnement de la fusée. La combustion se fait instantanément dans le cas de propergols hyperboliques, sinon un système d’allumage est employé. Les comburants et carburants sont aspirés par des pompes à haute pression et injectés dans une chambre de combustion où ils sont brûlés. Ils produisent ainsi une grande quantité de gaz chauds éjectés par la tuyère.

 

 

 

 

En général, les réservoirs sont remplis quelques heures avant le lancement de manière à limiter les risques. Les fumerolles que l'on peut observer à cette occasion sont dues aux très basses températures des ergols (-253°C pour l'hydrogène liquide et -183°C pour l'oxygène liquide). Les performances des propulseurs à propergols liquides sont très bonnes mais demandent de très lourdes infrastructures compatibles avec la gamme des températures atteintes.

 

Un bon propergol liquide sera caractérisé par une impulsion spécifique élevée, et la vitesse d’éjection des gaz sera le facteur déterminant pour en déterminer l’efficacité. Ainsi, puisque la vitesse d’éjection dépend de la température de combustion T0 et de la masse molaire M des gaz produits, l’efficacité d’un propergol sera d’autant plus grande que T0 sera élevée et M faible.

 

 

Schéma fonctionnel des propergols liquides.

 

  

 

Quelques exemples de propergols liquides et de leurs propriétés :

 

 

Oxydant

Combustible

Impulsion (s)

Rapport de mélange

O2

H2

440

4.02

O2

UDMH

310

1.65

N2O4

Hydrazine

292

1.34

N2O4

UDMH

285

2.61

 

Avantages :

Les propergols donnent généralement la vitesse d’éjection car leur poussé est plus élevée et ils sont plus performants. De plus leur combustion peu être ralentie ou accélérée à tous moments grâce à des dispositifs de télécommandes.     Il existe un type de propergol dont la  réaction est mise en jeu par la décomposition catalytique du propergol. Ce type de propulsion développe de faibles impulsions spécifiques mais a l’avantage de supporter de très nombreux cycle d’allumage et d’arrêt.

 

Inconvénients :

Les propulseurs utilisés sont plus complexes que ceux des propergols solides, car les propergols liquides posent des problèmes de stockage et de mise en œuvre beaucoup plus difficiles. Ils sont généralement utilisés deux par deux : l’oxydant étant stocké dans un réservoir, le réducteur dans un autre, ces deux liquides étant mis à réagir dans la chambre de combustion. Il faut dans la plupart des cas amorcer la réaction, mais il existe des propergols réagissant spontanément au contact l’un de l’autre : ils sont dits hypergoliques.

 

La proximité d'un comburant et d'un carburant présente de très grands risques d'explosion, l'accident le plus fréquent sur ce type de moteur est la rupture des réservoirs entraînant rapidement une explosion ( c'est ce qui a causé l'accident de la navette spatiale Challenger en 1987 ).

 

 

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>> Conclusion

 

 

Aujourd’hui, les progrès ne cessent d’augmenter, que se soit au niveau des propergols qui deviennent de plus en plus puissants ou au niveau des moteurs qui, bien que complexes, sont de plus en plus performant. Cependant, reste le problème de stockage des propergols liquides qui sont très encombrants.

 

Ariane concurrence les autres compagnies spatiales étrangères, comme la Naza, et se confectionne une place de choix, dans le lancement des satellites, au niveau mondiale.

 

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>> Bibliographie

 

 

  

Les encyclopédies

- Quid 2001

- Encarta 1998/1999/2000

- Encyclopedia Universalis

- Celio

 

Les sites internets

- http://vulcain5.multimania.com/corps.htm

- http://liftoff.multimania.com/prop/

- http://www.snecma.fr/

- http://www.snecma-moteurs.com/fr/

http://www.gifas.asso.fr/

http://www.launchers.eads.net/

 

 

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