EP 811 Module EP 811 Propulsion Fusée Chapitre 4 M. BLIN 1 EP 811 ENSEMBLES PROPULSIFS A PROPERGOLS LIQUIDES SOMMAIRE 1 - Moteurs-fusées à propergols liquides • Les systèmes d ’alimentation • Les différents cycles • Les problèmes de développement • Les instabilités de combustion 2 - Pressurisation 3 - Autres problèmes • L’utilisation des ergols • L’effet POGO M. BLIN 2 EP 811 Moteurs-fusées à propergols liquides Les systèmes d ’alimentation BUT : avoir une pression suffisante pour • pression de combustion • ΔP injection chambre • ΔP refroidissement chambre 1ère solution : réservoirs pressurisés • simple • lourd (sauf si réservoirs petits) • refroidissement par film nécessaire (Ex moteurs Valois et Viking) • solutions : voir paragraphe sur la pressurisation M. BLIN 3 EP 811 Moteurs-fusées à propergols liquides Les systèmes d ’alimentation 2ème solution : pompes • entrainées par réacteur sur avion (SEPR 844) • turbopompe (cas général) - réservoirs légers - turbopompe légère si poussée limitée (ou temps de combustion élevé) - pressurisation reste nécessaire (pour pb de cavitation) mais à pression plus faible M. BLIN 4 EP 811 Moteurs-fusées à propergols liquides Les systèmes d ’alimentation SYSTEMES D ’ALIMENTATION DE CHAMBRE PROPULSIVE A PROPERGOLS LIQUIDES RESERVOIR PRESSURISE MIXTE ALIMENTATION PAR POMPES PRESSURISATION PAR VESSIE SOUPLE PRESSURISATION DIRECTE PAR GAZ PRESSURISATION PAR PISTON PAR GAZ INERTE STOCKE PAR PROPERGOL VAPORISE PAR GAZ GENERE CHIMIQUEMENT UTILISE A SA TEMPERATURE DE STOCKAGE M. BLIN RECHAUFFE REACTION HYPEROLIQUE DANS LE RESERVOIR VOIR PLANCHE 6 GENERATION PAR PROPERGOL LIQUIDE GENERATION PAR PROPERGOL SOLIDE 5 EP 811 Moteurs-fusées à propergols liquides Les systèmes d ’alimentation SYSTEMES D ’ALIMENTATION DE CHAMBRE PROPULSIVE A PROPERGOLS LIQUIDES RESERVOIR PRESSURISE MIXTE VOIR PLANCHE 5 ENTRAINEMENT PAR TURBINE TURBOPOMPE MONOARBRE PROPERGOLS LIQUIDES MONOERGOL ALIMENTATION PAR POMPES ENTRAINEMENT MECANIQUE DIRECT TURBOPOMPES SEPAREES TURBINES ALIMENTEES EN SERIE OU EN PARALLELE GENERATEUR DE GAZ SEPARE MOTEUR AUXILIAIRE INDEPENDANT (ELECTRIQUE, HYDRAULIQUE ...) TURBINE ALIMENTEE PAR DES GAZ GENERES CHIMIQUEMENT TURBINE ALIMENTEE PAR PRELEVEMENT D ’AIR AU TURBOREACTEUR PAR LE REACTEUR DE L ’AVION TURBINE ALIMENTEE PAR GAZ STOCKE PROPERGOL SOLIDE GAZ D ’ALIMENTATION TURBINE PRELEVE SUR LA CHAMBRE PRINCIPALE M. BLIN GAZ D ’ALIMENTATION TURBINE PRELEVE EN SORTIE CIRCUIT REGENERATIF PRECHAMBRE AMONT TURBINE PUIS GAZ INJECTES DANS LA CHAMBRE PRINCIPALE (COMBUSTION ETAGEE) TURBINE DANS LE FOYER UTILISATION D ’UNE FRACTION DU JET PRINCIPAL DE LA TUYERE 6 EP 811 Moteurs-fusées à propergols liquides Les cycles Trois cycles - cycle à générateur de gaz séparé - cycle à turbine intégrée froide (expander) - cycle à combustion étagée M. BLIN 7 EP 811 Moteurs-fusées à propergols liquides Cycle à générateur de gaz séparé Principe Carburant Caractéristiques Comburant POMPE 2 TURBINE POMPE 1 GENERATEUR • système le plus courant • indépendance de développement des différents organes du moteur • faible puissance des pompes • perte d ’impulsion spécifique (1 à 2 % maxi) Au niveau global, seul reste à mettre au point la séquence de mise à feu. ECHAPPEMENT DE TURBINE Po CHAMBRE M. BLIN 8 EP 811 Moteurs-fusées à propergols liquides Cycle à générateur de gaz séparé Exemples Moteur F-1 Saturn V M. BLIN Moteur HM-7B Moteur Vulcain 2 9 EP 811 M. BLIN 10 EP 811 Moteurs-fusées à propergols liquides Cycle à turbine intégrée froide (expander) POMPE LH2 Pompe LOX Caractéristiques : REDUCTEUR TURBINE M. BLIN GH2 chaud • suppression du générateur (amélioration fiabilité) • faible température de turbine • impulsion spécifique élévée • pression maximale limitée • développement difficile • pression sortie pompe élevée Po 11 EP 811 Moteurs-fusées à propergols liquides Cycle à turbine intégrée froide (expander) Moteur Vinci M. BLIN RL-10 B2 12 EP 811 Moteurs-fusées à propergols liquides Cycle à combustion étagée POMPE LH2 Pompe LOX Caractéristiques : PRECHAMBRE DE COMBUSTION (rapport de mélange égal à 1) PRECHAMBRE DE COMBUSTION (rapport de mélange égal à 1) Po M. BLIN • cycle présentant l ’Isp la plus élevée • développement difficile • pression sortie pompe élevée Exemples : • moteur SSME du Space Shuttle • Moteur LE-7 du lanceur japonais HII 13 EP 811 Moteurs-fusées à propergols liquides Cycle à combustion étagée Exemple : Moteur SSME du Space Shuttle M. BLIN 14 EP 811 M. BLIN 15 EP 811 Moteurs-fusées à propergols liquides Les principaux problèmes de développement 1 - Pompes • joints dynamiques • roulements immergés dans ergols et charges faibles • équilibrage poussée axiale • fabrication des rouets flasqués • vitesse spécifique faible 2 - Turbines • roulements • contraintes thermiques 3 - Turbopompes • fréquences critiques • dynamique du rotor 4 - Chambres de combustion • technologie de réalisation du refroidissement • instabilités de combustion M. BLIN 16 EP 811 Moteurs-fusées à propergols liquides Instabilités de combustion 1 - Inconvénients • poussée vibrée • flux thermiques très élevés -> fusion chambre 2 - 1er type : basse fréquence (qq 10 Hz) • mécanisme : couplage entre alimentation et combustion -> oscillations longitudinales • remède : augmentation des ΔP d’injection -> problème aujourd’hui maîtrisé 3 - 2ème type : haute fréquence (qq 100 -> 1000 Hz) • mécanisme : couplage entre combustion et oscillations acoustiques dans le foyer. • plusieurs modes possibles (plus les harmoniques) - + axial M. BLIN radial tangentiel 17 EP 811 Moteurs-fusées à propergols liquides Instabilités de combustion 3 - 2ème type : haute fréquence (qq 100 -> 1000 Hz) • fréquence : définie par résonance acoustique • remèdes : - modifier l’injection (diminuer la régularité) - mettre des baffles pour changer les fréquences propres - résonateurs acoustiques dans l ’injecteur - parois absorbantes acoustiques M. BLIN 18 EP 811 Systèmes de pressurisation 1 - Buts • alimentation de la chambre de combustion (pression de gaz) • cavitation des pompes • stabilisation des structures 2 - Performances souhaitées La masse du gaz contenue dans les réservoirs pour la pressurisation doit être minimale en fin de phase de propulsion de l ’étage Mgaz = Vρ = VPM / RT • pression aussi faible que possible • M : masse molaire faible (H2, He) • V faible -> ergol dense • T élevée -> gaz chaud -> échanges thermiques dans les réservoirs 3 - Production des gaz • stockage sous forme aussi dense que possible (liquide, solide, gaz froid) • production de gaz légers par échauffement, détente ou réaction chimique M. BLIN 19 EP 811 Systèmes de pressurisation Les systèmes utilisés 1 - Gaz stocké • N2 et surtout He sous pression . • Gaz froid si possible. • Exemples : Saturn - 3ème étage Ariane 4 2 - Vaporisation d ’un ergol • sur LOX : gaz de pressurisation dense • sur LH2 : toujours (SATURN, CENTAUR, ARIANE) • il en résulte toujours des ergols saturés inépuisables. 3 - Générateur de gaz • il faut obtenir des gaz neutres ou ne réagissant pas avec l ’ergol exemples : Véronique, L17, 1er étage d ’Ariane 4 (ergols au mélange stoechiométrique + eau) • générateurs à poudre froide (gaz réducteurs utilisables pour pressuriser le combustible) M. BLIN 20 EP 811 Systèmes de pressurisation Cas particulier d ’Ariane 1 1er étage - L140 • pression réservoir : 4 bar relatifs • température des gaz < 420°C • débit : entre 5 et 2 Kg/s pendant le fonctionnement de l ’étage (150 s) • masse fluides résiduels en fin de fonctionnement de l ’étage : 815 kg 2ème étage - L33 • Hélium stocké à 300 bar à température ambiante • volume sphères : 470 dm3 • pression pressurisation : 3, 5 ± 0, 5 bar • masse hélium : 32 kg 3ème étage - H8 LOX - Hélium stocké à 200 bar et 90 K réchauffé entre 140 et 200 K pression réservoir : 2,11 ± 0, 06 bar masse hélium : 11,2 kg M. BLIN LH2 : hydrogène à 100 ± 10 K pression réservoir : 2, 91 ± 0, 06 bar 21 EP 811 Contrôle de l ’utilisation des ergols 1 - But • vider simultanément les 2 réservoirs • sinon on a des imbrûlés -> augmentation de l ’indice constructif effectif de l ’étage 2 - Causes d ’erreurs • réglages anormal du moteur • pressions et/ou températures non nominales à l ’entrée du moteur • erreur de mesure de volume des réservoirs • erreur de chargement - densité des ergols - niveau incorrect 3 - Solutions possibles • marges • équilibrage des imbrûlés • système de mesure et réglage du rapport de mélange du moteur en vol M. BLIN 22 EP 811 Contrôle de l ’utilisation des ergols Equilibrage des imbrûlés Exemple 3ème étage (H8) d ’Ariane 1 8 tonnes d ’ergols avec rapport de mélange égale à 5 1333 kg LH2 et 6667 kg LOX Erreur sur rapport de mélange : X % A m = 5 (1 + X) - consommation excessive de LOX - à l ’ extinction reste X.1333 kg de LH2 B m = 5 (1 - X) - consommation excessive de LH2 - à l ’extinction reste X.6667 kg de LOX On charge en mettant trop de LH2 pour brûler une partie de LOX restant Défauts IMBRULES - masse supplémentaire à ajouter - nécessité d ’estimer la valeur de l ’erreur maximale DM=6667X IMBRULES MAXI SANS EQUILIBRAGE DM=1337X IMBRULES MAXI AVEC EQUILIBRAGE IMBRULES LOX M. BLIN masse supplémentaire de LH2 à ajouter -X +X ERREUR IMBRULES LH2 23 EP 811 Contrôle de l ’utilisation des ergols Mesure des niveaux dans les réservoirs 1 - Principe 3 - Inconvénients • mesure continue des ergols restant dans les réservoirs • système de mesure des niveaux • réglage continu du moteur à masse oxydant restant - cryogéniques : cannes capacitives - autres systèmes : manomètres, sonde à ultra-son m= masse combustible restant • réglage continu du rapport de mélange moteur 2 - Avantages - laminage variable • suppression des imbrûlés - recyclage partiel d ’un ergol à la pompe M. BLIN 24 EP 811 Effet POGO 1 - Principe Couplage entre les oscillations de poussée et les modes propres de structure du lanceur. oscillation réservoir pression sortie réservoir pression entrée moteur variable poussée variable Le phénomène atteint une amplitude élevée lorsque fréquence propre structure = fréquence propre du système hydraulique M. BLIN 25 EP 811 Effet POGO Fréquences Mode de structure S1 N3 N2 N1 Fréquences propres de lignes N0 temps M. BLIN 26 EP 811 Effet POGO 2 - Remèdes utilisables • cavité sur ligne d ’ergols (« bulle ») - augmente la souplesse -> abaisse la fréquence propre de ligne • injection d’Hélium dans la ligne d ’ergols -> abaissement de la fréquence propre • contrôle actif : modulateur de pression d’entrée de pompe asservi en opposition de phase avec les perturbations • amortissement des structures 3 - Répercussions sur le développement • essais dynamiques de structures à divers remplissages pour connaître les modes de structure • essais de composants de l’ensemble propulsif pour connaître les fonctions de transfert et les modes hydrauliques M. BLIN 27 EP 811 M. BLIN 28
