Les lanceurs d'aujourd'hui permettent l'accès à l'espace pour satisfaire aux be-soins du marché des satellites de télécommunications et pour les missions d'explo-ration et d'étude de l'univers. Les lanceurs spatiaux sont des véhicules composés [29] d'au moins deux ou trois étages composés de moteurs, réservoirs, systèmes de contrôle et d'une baie contenant la charge utile à placer en orbite. Pour pro ter de l'équation de Tsiolkovski et du principe de la conservation du mouvement [187] un lanceur est constitué d'étages propulsifs qui sont séparés au fur et à mesure de la mission : à la n il reste seulement la dernière partie avec la charge utile laquelle se sépare in ne pour atteindre l'orbite recherchée. On peut donc identi- er plusieurs étages sur un lanceur, chacun constitué d'un système propulsif avec un moteur et des réservoirs. Les moteurs, à réaction, sont classi és en fonction du type d'ergol : solide, liquide ou hybride. Actuellement les systèmes propulsifs les plus utilisés pour le transport spatial sont de type solide et liquide. Bien que les systèmes solides soient très répandus et permettent une mise en ÷uvre très simple, les systèmes à ergols liquides fournissent de meilleures performances et apportent une réponse plus satisfaisante à certains besoins de mission comme le ré-allumage, le contrôle ou même la réutilisation [186, 209, 187, 72, 81].
Dans un moteur de fusée, la poussée est produite par éjection d'un gaz très énergétique à travers une tuyère. Il s'agit d'un moteur à réaction caractérisé par les forts niveaux énergétiques du propergol et l'utilisation d'un oxydant embarqué et non de l'atmosphère extérieure.
Dans les moteurs à ergols liquides, ceux-ci sont sont acheminés avec diérents systèmes selon la gamme de poussée (réservoirs pressurisés ou turbopompes) vers la chambre propulsive et brulent à fortes températures et pressions (3500 K et 200 bar et plus) avec des débits conséquents (400 kg/s). La conception du moteur et sa fabrication sont très complexes et souvent les pièces travaillent aux limites des capacités thermomécaniques. La gestion des ergols cryogéniques, utilisés à cause de leurs performances élevées en terme d'impulsion spéci que (c'est à dire le rapport entre la poussée produite et le débit de propergol éjecté), augmente de plus la complexité avec des gradients thermiques importants, des changements de phase très énergétiques et des comportements particuliers de compatibilité des matériaux (par exemple la fragilisation au contact de l'hydrogène ou les problèmes liés aux impuretés dans les lignes) [187].
Ce chapitre présente d'abord une introduction aux types de moteur de fusée à ergols liquides, les sous-systèmes et leurs modes de défaillance, la vie type d'un moteur et les processus mis en place pour la maitrise des cas de panne. La deuxième partie présente une synthèse des outils de simulation utilisés pour la conception et l'analyse des systèmes propulsifs en mettant l'accent sur les progrès eectués jusqu'à présent.
2.1 Principes de fonctionnement d'un moteur de
fusée
Il existe diérents couples d'ergols, en particulier on distingue les trois types principaux :
ergols cryogéniques, des exemples sont les couples oxygène liquide/ hydro-gène liquide - LOX/LH2, oxyhydro-gène liquide/ méthane liquide - LOX-LCH4 : ces couples permettent d'atteindre les meilleures performances mais néces-sitent une mise en ÷uvre complexe à cause des basses températures né-cessaires pour garder les ergols à l'état liquide (température d'ébullition Teb = 21 K pour l'hydrogène, Teb = 90 K pour l'oxygène, Teb = 110 K pour le méthane).
les couples de type LOX/ hydrocarbure (par exemple kérosène) : le kérosène est liquide à température ambiante donc il n'y a pas de di cultés de mise en ÷uvre comme sur les ergols cryogéniques et il permet également d'avoir une masse volumique supérieure aux ergols cryogéniques ce qui permet d'obtenir des systèmes propulsifs compacts.
les ergols stockables, par exemples les couples NTO/UDMH (tétroxyde d'azote et mélanges à base d'hydrazine) : ils peuvent être stockés long-temps, sont souvent hypergoliques (l'allumage du mélange ne nécessite pas l'apport d'énergie) [187] donc ne nécessitent pas de systèmes d'allumage complexes. Ils sont prêts à l'emploi sans besoin de la mise en ÷uvre com-plexe requise par les systèmes cryogéniques mais les performances sont plus faibles.
L'accent est mis ici sur les systèmes cryogéniques, qui constituent des exemples de systèmes parmi les plus performants et les plus complexes équipant le premier et deuxième étage d'Ariane 5 [161].
Les liquides utilisés brulent dans une chambre de combustion à des niveaux de pression variant entre 30 bar et 200 bar. Le rapport entre les débits d'oxydant, QLOX et combustible, QF U EL, le rapport de mélange Rm = QLOX
QF U EL est un indica-teur fondamental du processus de combustion et du fonctionnement du moindica-teur.
Les gaz produits par combustion peuvent atteindre des températures de l'ordre de 3500K (pour le couple LOX/LH2 avec un rapport de mélange Rm = 6). Ils sont ensuite éjectés à travers une tuyère de type convergent divergent qui permet d'obtenir une vitesse en sortie de l'ordre de 4500 m/s [187].
CHAPITRE 2. MOTEURS FUSÉE ET DIAGNOSTIC 25
Figure 2.1 Schéma de fonctionnement d'un moteur à ergols liquides (source CNES, illustration B. Nicolas).
Pour alimenter la chambre de combustion avec les débits d'ergols nécessaires et les bons niveaux de pression et température, il existe plusieurs types d'archi-tecture. On parle alors de cycle moteur indiquant comme pour un cycle thermo-dynamique l'enchainement des transformations permettant un processus auto-su sant.
Le système le plus simple est le cycle pressurisé : dans ce cas la chambre est alimentée directement aux niveaux de pression des réservoirs moins les pertes de charge dans les lignes et le débit est obtenu par blow-down c'est à dire par simple décharge des réservoirs. L'inconvénient est que les niveaux de pressions atteignables sont limités à cause du poids des structures réservoir qui augmentent. Ce cycle est limité à des moteurs à poussée faible par exemple autour des 30 kN, avec des pressions chambre de l'ordre de 10 bar (exemple le moteur Aestus [190]). Les cycles à turbopompes permettent de limiter les pressions dans les réser-voirs à des niveaux de quelques bars. Pour faire tourner les pompes il faut utiliser des turbines alimentées soit par un gaz chaud produit par un générateur de gaz dédié, soit par un ergol réchaué au contact avec la chambre de combustion prin-cipale.
Si le débit alimentant les turbines est ensuite réutilisé dans la chambre princi-pale et participe à la poussée totale, on parle de cycle à ux intégrés, tandis que si ce débit est éjecté en dehors de la chambre et constitue une perte de débit au sens de la poussée, on parle de cycle à ux dérivés [187].
Figure 2.2 Exemples de cycles moteur à ux intégré (à gauche, cycle à com-bustion étagée) et à ux dérivé (à droite, cycle à générateur de gaz), (source CNES).
Figure 2.3 Exemples de cycles moteurs sans générateur de gaz, bleed (gauche) et expander (droite), (source CNES).
Chaque type de cycle a des avantages et des inconvénients. D'un point de vue performance le cycle à combustion étagée est le meilleur, sans perte de débit et avec une architecture compacte grâce à l'utilisation d'une préchambre dédiée pour alimenter les turbines. Néanmoins la conception de la préchambre est critique avec des niveaux de pression beaucoup plus élevés que dans la chambre principale. Sur le moteur de la navette américaine, ou sur le moteur russe RD-170 on atteint des niveaux de 500 bar dans la préchambre pour des pressions chambre autour des 200 bar [187]. Ceci demande une conception couteuse de la préchambre et des composants pour les lignes gaz chauds comme les vannes et turbines en aval qui doivent résister à des fortes températures et pressions.
Les cycles à ux intégrés expander permettent aussi des performances élevées et le moteur Vinci [3] est un exemple de ce type de conception. La di culté liée à l'expander est due au changement de phase nécessaire pour que l'ergol liquide choisi puisse alimenter les turbines. Ceci limite la poussée maximale atteignable
CHAPITRE 2. MOTEURS FUSÉE ET DIAGNOSTIC 27 car pour vaporiser l'ergol on le réchaue au contact de la paroi de la chambre de combustion et la surface d'échange augmente avec la poussée. Les poussées maximales obtenues avec des cycles expander sont autour des 300 kN, ces cycles sont préférés sur les étages supérieurs (orbitaux) de lanceur [81].
Le cycle le plus communément utilisé est le cycle à générateur de gaz, des exemples sont le Vulcain 2 [154] ou le HM7-b [167]. C'est un bon compromis entre simplicité et performances. Le générateur de gaz, comme la préchambre dans les cycles intégrés, permet d'alimenter les turbines mais avec des niveaux de pression et température moindres par rapport au cycle à combustion étagée. Les niveaux de pressions sont entre 10 bar (sur HM7b) et 100 bar pour Vulcain 2 et les niveaux de température autour des 800K, limités par les caractéristiques des aubes des turbines. Ceci permet l'utilisation de matériaux moins onéreux et une conception moins complexe que sur les systèmes à combustion étagée. De plus, comme le circuit générant la puissance des turbopompes est en parallèle du circuit principale propulsif, la mise au point du transitoire et du réglage moteur est plus simple par rapport aux cycles intégrés [186, 187].
2.2 Les composants d'un moteur, les spéci cités
et les modes de défaillance
2.2.1 Chambres de combustion, préchambres et générateurs
de gaz
La chambre de combustion est l'élément dans lequel les ergols brulent et produisent des gaz très énergétiques. Le composant chambre doit soutenir des ambiances thermiques importantes jusqu'à 3500 K et des niveaux de pression pouvant atteindre les 200 bar, de plus avec une contrainte de minimisation de la masse [187, 186, 81]. Pour permettre une durée de vie su sante, il est nécessaire de refroidir la paroi chambre. Ceci est eectué via un autre élément fondamental du moteur : le circuit de refroidissement. Il peut être de type régénératif, dans ce cas l'ergol utilisé pour refroidir est réinjecté dans la chambre totalement ou en partie, de type dump lorsque il est injecté dans la paroi du divergent mais ne participe pas à la combustion et de type lm, lorsqu'il forme un lm le long de la paroi du divergent.
Dans une chambre on distingue trois zones principales correspondants à : la zone d'injection, la zone de combustion subsonique et la zone d'accélération du col jusqu'à une certaine section du divergent.
Figure 2.4 Zones d'analyses d'une chambre de combustion (Illustration issue de Advanced Chemical Rocket Propulsion, Academic Press, New York, 1987 ). La zone d'injection est constituée d'une série de petits jets ou lms à travers lesquels l'oxydant et le combustible sont introduits dans la zone de combustion. Les caractéristiques de ces zones d'écoulement dépendent des propriétés de chaque type d'ergol (viscosité, masse volumique), des conditions de fonctionnement de la chambre (pression chambre et rapport de mélange) et de sa géométrie [187].
Le comportement de la zone de combustion dépend du type d'ergol. Par exemple, dans les moteurs cryogéniques, un des deux ergols peut être utilisé pour refroidir la paroi de la chambre et est donc injecté sous forme gazeuse. Ceci per-met d'éviter la présence des gouttelettes d'ergol liquide dans la chambre et donc de phénomènes d'évaporation associés.
Les cas de pannes typiques sur les chambres de combustion sont liés aux s-sures et à la rupture d'éléments d'injection ou dans le circuit de refroidissement. Souvent ces défaillances sont dues soit à des anomalies de conception, soit à des problèmes de mise en ÷uvre ou en n à des phénomènes intrinsèques comme les instabilités. La phase de conception de la séquence d'allumage est très cri-tique : cette phase dure quelques secondes et conduit à l'établissement de débits de 300 kg/s et plus, en passant des conditions ambiantes à des températures de l'ordre de 3500 K et des pressions de 200 bar. La rapidité du phénomène fait aussi que tout événement non nominal peut conduire à des conséquences catas-trophiques.
CHAPITRE 2. MOTEURS FUSÉE ET DIAGNOSTIC 29
Figure 2.5 Exemple de chambre de combustion du moteur Vulcain 2 (crédit Snecma).
Les générateurs de gaz et les préchambres dans les cycles à combustion éta-gée sont aussi des organes de combustion. Les mêmes phénomènes vus pour la chambre sont en jeu, par contre les niveaux énergétiques sont moindres et on travaille à des rapports de mélange très écartés du point st÷chiométrique. Les ni-veaux de température sont beaucoup plus faibles. Ceci est en grande partie lié aux limitations des matériaux utilisés dans les turbines (typiquement la température maximale autorisée en entrée turbine est autour de 850 K).
Figure 2.7 Exemple de générateur de gaz du Vulcain 2 (crédit Snecma). Le réglage de la séquence d'allumage et d'arrêt de ces organes est au c÷ur du cycle moteur. Il permet de régler la puissance fournie aux turbopompes. Les risques typiques liés au fonctionnement de ces organes sont souvent associés aux défaillances structurelles des éléments d'injection, aux instabilités de combustion et au mauvais fonctionnement à l'allumage (par exemple l'allumage dur avec des pics de pression importante pouvant détruire le matériel) [187, 115, 81].
Des exemples de cas de pannes pour le moteur SSME sont décrits dans le tableau 2.1 [27].
Table 2.1 Exemples de cas de pannes préchambre et chambre SSME Élément Description du défaut Impact
Préchambre Injecteurs déformés Rm local élevé, rupture paroi injecteur défaut de fabrication et sortie des ammes Chambre Rupture par Retour de amme dans injecteurs fatigue injecteur la tête d'injection Préchambre, Présence d'eau Rm local élevé, rupture des
injecteur givre dû à hydrogène liquide turbines et lignes aval bouchage injecteur de 25%
Chambre Rupture fatigue injecteur Rm local très élevé, injecteurs et fuite d'oxygène dans des rupture de la tête d'injection
zones avec gaz chauds endommagements
2.2.2 Tuyères
La tuyère permet d'accélérer les gaz de combustion jusqu'à la sortie du moteur. Généralement il s'agit d'une partie divergente reliée à la chambre de combustion non pas au niveau du col mais à une section plus en aval. Souvent les tuyères sont dotées de circuits de refroidissement, CR, (exemple en gure 2.8) et supportent diverses tuyauteries du moteur. Une tuyère est soumise à des eorts dynamiques importants liés aux phénomènes aérodynamiques internes du jet de l'écoulement et ceux issus de la dynamique du lanceur. Les températures se situent entre 400 K et 1300 K.
CHAPITRE 2. MOTEURS FUSÉE ET DIAGNOSTIC 31
Figure 2.8 Exemple d'intégration de circuit de refroidissement pour le moteur HM7b (crédit Snecma) à gauche et tuyère du moteur Vulcain 2 (crédit Snecma) à droite.
Les cas de pannes des tuyères sont souvent liés à de mauvaises estimations des cas de charges auxquels elles sont soumises. Un exemple notable de l'eet d'une mauvaise estimation des cas de charge en vol est la défaillance de la tuyère du moteur Vulcain qui provoqua l'échec du vol 157 d'Ariane 5 [206, 115]. Un des phénomènes mal estimés dans ce cas était le bueting. Ce phénomène est lié à la charge subie par la tuyère en vol atmosphérique lorsque la pression extérieure diminue et la charge sur le divergent augmente ainsi qu'au complexe champ uide autour de la tuyère avec des transitions supersoniques et des ondes de choc qui apparaissent et disparaissent.
D'autres cas de panne sont liés aux ssures et défaillances dans les circuits de refroidissement présents dans la tuyère. Quelques exemples issus de [27] sont montrés dans le tableau 2.2.
Table 2.2 Exemples des cas de panne tuyères SSME Élément Description du défaut Impact
Circuit de ssures et Perte de performances Refroidissement - CR fuites d'ergol endommagement moteur
Tore de sortie CR Rupture soudure Endommagement moteur et fuites Rm localement élevé
2.2.3 Turbopompes
Une turbopompe est un ensemble d'une pompe et une turbine liés par arbre mécanique. Plusieurs types de conception sont possibles avec une seule turbine alimentant deux pompes, ou une turbine par pompe etc. Il s'agit de machines tournantes avec d'un côté un liquide cryogénique à très faible température et haute pression et, de l'autre, des gaz de combustion chauds. Les di cultés sont multiples : l'équilibrage de la machine, le maintien de l'arbre sur des roulements, le maintien de l'étanchéité entre les gaz chauds et l'ergol froid à haute pression, ainsi que la maitrise du comportement dynamique des structures couplée avec le
comportement du moteur et de l'étage propulsif. La mise en ÷uvre peut ainsi être très complexe. L'utilisation des ergols cryogéniques nécessite de mettre en froid des petits circuits autour des bagues de supports de l'arbre et maintenir des faibles débits d'ergols avant le fonctionnement de la machine.
Figure 2.9 Exemple de turbopompe oxygène Vulcain 2 (crédit Snecma). Le moteur étant une machine tournante, la connaissance du comportement vibratoire et la gestion des raies vibratoires particulières est très importante pour sa bonne maitrise. Il faut veiller à ne pas solliciter trop longtemps les bandes de fréquences critiques. Un phénomène critique avec les pompes est la cavitation, c'est à dire l'apparition des poches de gaz en entrée pompe lorsque la pression en entrée baisse. Ce phénomène peut être destructif produisant des vibrations importantes et des accélérations importantes de la vitesse de rotation en un temps de l'ordre de 10 ms [187, 115, 81].
Le tableau 2.3 présente une synthèse des cas de pannes typiques issues des références [27, 99].
Table 2.3 Exemples de cas de panne turbopompes Élément Description du défaut Impact Entrée pompe Cavitation Rupture des aubes
Pompe Gaz dans le liquide Perte de performance Paliers Manque de lubri ant Grippage , surchaue
endommagement moteur Turbine Endommagement d'aubes par Rupture des aubes
gaz à températures trop élevées et endommagements
2.2.4 Vannes et lignes
Les moteurs à ergols liquides sont dotés d'organes de réglage permettant la gestion des débits des ergols pendant le démarrage et l'arrêt du moteur et lors
CHAPITRE 2. MOTEURS FUSÉE ET DIAGNOSTIC 33 du changement de point de fonctionnement. Ces vannes sont souvent de type ouverte ou fermée et la séquence d'ouverture et fermeture permet d'obtenir des transitoires maitrisés et reproductibles.
Figure 2.10 Exemple de vanne SSME (crédit NASA).
Ces vannes peuvent être par exemple des vannes pneumatiques, hydrauliques, ou des électrovannes actionnées par une bobine magnétique. Elles peuvent corres-pondre à une ou plusieurs positions en ouverture ou plus rarement permettre une ouverture régulée. Les composants de base sont donc le papillon qui détermine la section d'écoulement, les éléments d'étanchéité comme les joints, l'actionneur de déplacement du papillon etc. La di culté de conception est fréquemment liée au type de uide à contrôler. Par exemple, dans les cycles à combustion étagées, les vannes de contrôle du débit de la préchambre doivent résister à des tempéra-tures très élevées tandis que les vannes d'alimentation d'une chambre cryogénique doivent tenir aux très basses températures.
Ces vannes doivent satisfaire des besoins de abilité, masse, étanchéité et am-biance vibratoire. Les cas de pannes redoutés et pour lesquels toutes les vannes sont testées avant mise en ÷uvre sont les fuites, les anomalies du comportement fonctionnel comme les temps de réponse à la fermeture et ouverture et l'obstruc-tion due à une pollul'obstruc-tion. Ce sont des événements critiques qui peuvent avoir des conséquences directes catastrophiques (par exemple produire des pics de rapport de mélange conduisant à des réactions de combustion non maitrisables).
D'autres éléments fondamentaux du moteur sont les lignes et les éléments de raccordement. Les lignes doivent permettre l'acheminement des ergols et ga-rantir l'étanchéité. Elles sont souvent en métal avec des connexions par visserie ou soudure. La conception doit permettre la prise en compte des forts gradients thermiques présents dans le moteur et être capable de supporter les eets vibra-toires. Dans le cas de moteurs orientables, les lignes doivent pouvoir tolérer un certain degré de mouvement (de ±3 à ±10° [187, 115, 81]). Les lignes doivent être conçues pour résister aux coups de bélier qui peuvent se produire en cas de